CC BY
44
УДК 622.233.5 А.А. Липин
ПОГРУЖНЫЕ УДАРНЫЕ МАШИНЫ С ЦЕНТРАЛЬНЫМ ШЛАМОТРАНСПОРТОМ
Т Те касаясь буровых комплексов глубокого бурения (на
-Щ-ж. нефть и газ), буровые комплексы для малых и средних глубин (до 300 м) представлены на практике широким спектром. По способам бурения - это шарошечный, режущий, режущеударный, ударно-вращательный. По техническим средствам реализации способов с использованием различных очистных агентов и энергоносителей (сжатый воздух, жидкость, газожидкостные смеси, растворы) - это пневмоударный, гидроударный, электромеханический.
В практике бурения геологоразведочных, гидрогеологических скважин, особенно на поисково-картировочной стадии широко применяется и интенсивно развивается вращательный способ бурения с непрерывным выносом выбуренной породы по центральному каналу двойной бурильной колонны. Способ весьма производительный и сравнительно дешевый, но область применения его ограничена однородными мягкими породами до пятой категории буримости. Он не пригоден или мало эффективен в условиях резко перемежающихся пород и валунно-галечных отложений.
Еще более широко распространен ударно-вращательный способ бурения скважин различного назначения с применением погружных пневмоударников. Способ признан эффективным в широком диапазоне условий по крепости буримых пород, геологическому строению разреза и диаметров буримых скважин. Одним из существенных недостатков пневмоударного способа бурения с за-трубным выносом шлама является жесткая зависимость соотношения диаметров буримых скважин и диаметров бурильных колонн, ограничивающая предельную глубину бурения по условиям выноса выбуренной породы. В принципе глубину бурения можно увеличить путем наращивания давления или расхода сжатого воздуха, но, как показывает мировая практика пневмоударного бурения,
давление выше 2,5 МПа, а расход более 1,5-2,0 м3/мин-кВт ударной мощности машины поднимать нецелесообразно по причине весьма низкого к.п.д. цепочки: компрессор - пневмоударник.
Весьма широкие технологические возможности имеет новый способ ударно-вращательного бурения скважин с центральным выносом шлама по двойной бурильной колонне. Этот способ осуществляется двумя путями: использованием пневмоударников обычного исполнения, размещенных во внешнем кожухе с коллектором для присоединения к двойной бурильной колонне, и с использованием полых (кольцевых) пневмоударников. Практика показала, что вариант компоновки снаряда с обычным пневмоударником не оправдал себя по причине зашламовывания сборника шлама и большого сопротивления коллектора. Вариант специального кольцевого пневмоударника лишен указанного недостатка и оказался более прогрессивным. Этот способ бурения скважин по мнению зарубежных специалистов (Германии, Великобритании, США) является новым направлением в бурении, высоко оценен и признан наиболее прогрессивным (Э.И. техника, технология и организация геологоразведочных работ. 12-1991, М., ВИЭМС, 1991, с. 14-17). Уместно заметить, что приоритет на кольцевые пневмоударники принадлежит СССР (России). Данная технология обладает достоинствами как пневмоударного способа, так и достоинствами вращательного бурения с непрерывным транспортированием выбуренной породы по внутренней трубе двойной бурильной колонны. Кроме этого новая технология наделена дополнительными качествами: при одном и том же давлении энергоносителя (сжатого воздуха) на входе в ударную машину сплошного или кольцевого исполнения, во втором варианте исполнения ударной машины предельная глубина бурения скважины увеличивается в 1,5-2 раза без снижения производительности. При этом не требуется жесткой увязки диаметра буримой скважины и диаметра бурильной колонны. Данное качество новой технологии открывает широкие перспективы применения ее и при подземном бурении вниз слепых скважин большого диаметра (165-300 мм), тогда как сейчас это можно сделать только путем бурения сквозной пилотной скважины, с последующим разбуриванием ее на больший размер, что увеличивает время бурения вдвое.
Кольцевые ударные машины в сочетании с двойной бурильной колонной особенно эффективны в разрезах с неоднородным соста-
вом пород, с большим содержанием валунно-галечных отложений, прослоек глинистых пород, при интенсивных водопритоках. Сохраняется реверс потока энергоносителя, даже если он разной природы (воздух, вода, раствор), крайне необходимый при обвалах и закреплении стенок скважины, прихвате снаряда, сильном водо-притоке и прочих возможных осложнениях. Этот способ не имеет альтернатив в условиях бурения морен в сплошных водоносах, в зонах вечной мерзлоты.
Использование кольцевых ударных машин позволяет существенно расширить область применения буровых комплексов с центральным пневмо - гидротранспортом шлама, так как интенсифицируется процесс разрушения забоя за счет ударного воздействия на породу.
Существующие отечественные и зарубежные кольцевые пневмоударники базируются на бесклапанной системе распределения воздуха по камерам с управлением от ударника. Эти пневмоударники могут работать только на сухом сжатом воздухе или с очень малой дозировкой воды, что ограничивает область их применения. Так, например, при проходке глинистых прослоек с малым водо-притоком возможны «сальниковые» образования в шламоотводной трубе, затрудняющие работу пневмоударника вплоть до полной его остановки. На другом энергоносителе пневмоударники этого типа (бесклапанные) не работают.
В развитиии способа бурения погружными ударными машинами с центральным шламотранспортом обнаруживается острая необходимость создания кольцевых ударных машин нового поколения, обеспечивающих бурение любых геологических структур и на достаточно большие глубины, например, 200-300 м. Это становится возможным при переходе на другой энергоноситель, в частности, на газожидкостную смесь высокого давления (4-7 МПа), например, в виде пен и другую систему распределения энергоносителя, в частности на клапанную, с обеспечением питания и принудительной разрядки управляемой камеры. Перевод погружных ударных машин, в том числе и кольцевых, на более энергонасыщенное рабочее тело и более эффективный очистной агент, а таковым является газожидкостная смесь с добавками ПАВ, резко расширяет технологические возможности ударно- вращательного способа бурения, в частности: по глубине бурения, диаметрам бури-
Погружная ударная машина с центральным шламотранспортом ПК 160: 1 -
головка буровая, 2 - пакер, 3 - хвостовик, 4 - муфта, 5 - ствол, 6 - гильза, 7 -ударник, 8 - цилиндр, 9 - шток, 10 - труба шламовая, 11 - седло, 12 - клапан пи-тающе-разрядный, 13 - клапан обратный, 14 - переходник.
мых скважин, геологическим условиям, по сравнению с обычным пневмо- или гидроударным бурением.
Не менее важным в достижении эффективности кольцевого ударного бурения является обеспечение продувки (промывки) забоя, сбора шлама в забойной части и транспортировка его в заборную часть бурового инструмента и далее в центральную шламотранспортную трубу ударной машины. Достигается это особой конструкцией бурового инструмента, принципиально отличающегося от инструмента ударной машины обычного исполнения с периферийной транспортировкой выбуреннй породы. Если система очистки забоя и сбора шлама в заборной части кольцевой ударной машины не учитывает специфику центральной транспортировки, то никакая самая совершенная по динамике, энергетическим параметрам кольцевая машина, работающая даже на лучшем энергоносителе, не обеспечит ожидаемых результатов.
Многолетние изыскания путей совершенствования погружных ударных машин, проведенные в Институте горного дела СО РАН показали, что технический прогресс в буровой технике можно и должно ожидать в создании кольцевых ударных машин. В настоящее время в ИГД СО РАН найдены технические решения и разработаны конструкции нового поколения кольцевых ударных машин [1]. Машины универсальны по энергоносителю и работают на сухом сжатом воздухе обычного (0,5-0,7 МПа) и высокого (1,2—2,5 МПа) давления, а также на газожидкостной смеси в виде пен высокого давления (4-7 МПа), обеспечивают необходимую и достаточную энергию удара в заданном типоразмере ударной машины. Раз-
Технические характеристики погружных ударных машин с центральным шламотранспортом
Параметры ПК118 ПК160 ПК215
Диаметр скважины, мм 118 160 215
Диаметр корпуса, мм 85 146 196
Длина пневмоударника, мм 1250 1050 1200
Рабочее давление, МПа 0,5 0,5 0,5
Энергия удара, Дж 200 350 600
Частота ударов, уд/мин. 750 850 700
Расход энергоносителя, м3/мин. 4,5 9 15
работаны конструкции буровых долот к ним, одинаково эффективных практически для любых пород, с любыми прослойками и включениями [2].
На рисунке изображена погружная ударная машина с центральным шламотранспортом, работающая на сухом сжатом воздухе и газожидкостной смеси в виде пен с добавками ПАВ. Машина сконструирована на основе технических решений [1, 2]. Особенностью ее являются оригинальная система распределения (питающе-разрядная) энергоносителя по рабочим камерам и система очистки - сбора выбуренной породы. Разработан типоразмерный ряд машин, охватывающий диаметры буримых скважин от 118 до 215 мм. Технические характеристики приведены в табл. 1.
----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Патент РФ №2109124. Погружная ударная машина для бурения скважин кольцевым забоем /А.А. Липин, С.А. Зима./ Опубл. БИ, №11, 1998.
2. Патент РФ №2067148. Кольцевой пневмоударник /А.А. Липин/. Опубл. БИ, № 27, 1996.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------
Липин А.А. - кандидат технических наук, заведующий лабораторией, Институт горного дела СО РАН.
------------------------ © Г.В. Секисов, Д.В. Левин, Г.В. Матушкин,
Е.А. Кудряшов, В.И. Мирошников, Е.В. Нигай, Д.Г. Данильченко, А.В. Гладырь, 2005
УДК 622.271.2
Г.В. Секисов, Д.В. Левин, Г.В. Матушкин,
