Фильтры для воды

Сущность и схема установки ударно-канатного бурения
При ударно-канатном бурении породу разрушают по всему забою спускаемым в скважину на стальном канате буровым снарядом с клиновидным долотом путем его периодического сбрасывания с высоты 0,3—1,1 м при частоте 40—50 ударов в 1 мин.
Чтобы скважина имела цилиндрическую форму, буровой снаряд при подъеме после каждого удара поворачивают на некоторый угол. В сухую скважину через устье заливают определенное количество воды. При этом из разрушенной породы и воды образуется пульпа, которая до определенной густоты но препятствует бурению.
После разрушения породы на глубину 0,3—0,6 м буровой снаряд поднимают из скважины. В скважину на канате спускают желонку для очистки забоя от выбуренной породы. В сыпучих и плывучих породах бурят желонкой.
При необходимости скважину крепят обсадными трубами, Эта операция может производиться одновременно с бурением, При бурении сыпучих и плывучих пород сначала забивают обсадные трубы, а затем из них извлекают породу желонкой.
Схема установки для ударно-канатного бурения показана на рис. 21.1. Буровой снаряд 1 поднимают и сбрасывают с помощью ударного механизма. Ударный механизм представляет собой оттяжную раму 9 с направляющим 10 и оттяжным 8 шкивами и кривошипно-шатунным механизмом 7, который сообщает раме колебательное движение. При движении оттяжного шкива вниз-вверх происходит соответственно натяжение и ослабление каната 3, подъем и сбрасывание ударного снаряда I Ударяя по забою, снаряд постепенно углубляется в породу, поэтому по мере необходимости канат сматывается с инструментального барабана.
Ударный снаряд 1 при подъеме поворачивается в результате раскручивания каната 3 вследствие его упругих свойств и особой конструкции канатного замка.
Спускают и поднимают ударный снаряд 1 и желонку 2 лебедками, которые называются соответственно инструментальным 11 и желоночным 6 барабанами. Для спуска и подъема обсадных труб в тяжелых установках служит талевый барабан. Все узлы станка вращаются от главного распределительного вала и двигателя. Установка, имеющая мачту 4 со шкивами 5, смонтирована на транспортной базе 12.
ris 21.1

Рис. 21.1. Схема ударно-канатного бурения

Условия применения ударно-канатного бурения
Ударно-канатный способ применяют при бурении разведочных и эксплуатационных скважин на воду, а также при разведке россыпных месторождений и мелковкрапленных руд, разработке открытым способом месторождений полезных ископаемых для бурения взрывных скважин и при бурении скважин технического назначения.
Ударно-канатное бурение особенно эффективно в труднодоступных и безводных районах, при бурении скважин через старые горные выработки и зоны катастрофического поглощения.
Ударно-канатным способом бурят скважины в породах любой твердости диаметром от 148 до 850 мм на глубину до 500 м, но наиболее часто — глубиной 100—150 м в относительно нетвердых породах. Объем ударно-канатного бурения в СССР составляет не более 1 % объема вращательного бурения. Это объясняется низкими технико-экономическими показателями и небольшими возможностями этого способа.
Буровой инструмент для ударно-канатного способа бурения
В СССР технологический инструмент для ударно-канатного бурения изготовляют по двум стандартам: 1) для бурения на воду и других целей по техническим условиям ТУ 24-8-505—75; 2) для разведки россыпных месторождений по отраслевым стандартам Министерства геологии СССР. Эти стандарты отличаются набором инструментов по диаметрам и некоторыми конструктивными особенностями.
Буровой снаряд (рис. 22.1) для ударно-канатного бурения состоит из долота 3, ударной 9 и раздвижной 10 штанг и канатного замка 11.
Технологические инструменты бурового снаряда соединяются между собой при помощи замковой резьбы. Резьба правая, с конусностью 1 :4, шаг — 3,629 мм (7 ниток на 25,4 мм).
У основания резьбы выточены кольцевые конические канавки для захвата ловильным инструментом в случае аварии или осложнений. Ниже имеются две параллельные плоскости для захвата ключами при свинчивании и развинчиваний частей бурового снаряда.

ris 21.2
Рис. 22.1.-22.2. Буровой снаряд и долота для ударного бурения

Конструкция элементов бурового снаряда
Долота
Долота для ударно-канатного бурения изготовляют литые, штампованные и кованные из инструментальной стали марки У7 и подвергают механической и термической обработке.
Ударное долото (см. рис. 22.1) состоит из резьбового конуса 8, кольцевых выточек 7, шейки 6 с плоскостями для ключей, лопасти 5, боковых ребер 4, служащих для округления стенок скважины, клинообразных щек 2 и закаленного лезвия 1. В зависимости от твердости пород лезвие долота имеет угол приострения от 70 до 130°.
Долота изготовляют плоские, двутавровые, крестовые и округляющие.
Плоские долота (рис. 22.2, а) предназначены для бурения в мягких породах, имеют угол приострения лезвия a=70/80C, длину лезвия 148—695 мм (диаметр скважины), высоту 650— 1300 мм и массу от 42 до 520 кг.
Двутавровые долота (рис. 22.2,6) применяют для бурения в вязких породах средней крепости. Боковые ребра долот имеют выступы в обе стороны и вследствие этого — двутавровое сечение. С целью уменьшения трения боковых ребер о стенки скважины ребра наклонены к вертикали под углом 7°. Лезвия долот затачивают обычно под углом а = 80-100°. Высота долот 650— 1500 мм, длина лезвия (диаметр скважины) от 148 до 850 мм, масса 42—630 кг.
Округляющие долота (рис. 22.2, в) используют для бурения твердых, а также трещиноватых пород и валунно-галечниковых отложений. Особенность таких долот — широкие боковые ребра, обеспечивающие округление стенок скважины. Угол приострения лезвия «=110-5-130°. Долота широко применяют при бурении взрывных скважин на карьерах. Высота долот ИБО1— 1500 мм, длина лезвия (диаметр скважины) 148—695 мм, масса 85—1400 кг.
Крестовые долота (рис. 22.2, г) предназначены для бурения твердых трещиноватых, пород, а также валунно-галечниковых отложений. Крестообразное основание препятствует заклиниванию долота в крупных трещинах. В зависимости от твердости пород угол приострения лезвия долота а принимают от 100 до 130°. Высота долот 1000—1500 мм, длина лезвия (диаметр скважины) 148—595 мм, масса 66—980 кг.
Кроме того, геологоразведочные организации изготовляют долота со скошенным лезвием, а также эксцентричные пирамидальные и боковые долота.
Желонки
Желонки применяют для непосредственного бурения рыхлых, сыпучих и плывучих пород (пески, плывуны, галечники), а также для удаления шлама из скважины при бурении долотами твердых пород.
Желонка (рис. 22.3, а) состоит из трубы 2, верхний конец которой соединен с дужкой или вилкой 1, снабженной конусной резьбой, а нижний — заканчивается башмаком 6 с клапаном 5, имеющим шарнир 3 и ограничитель 4. Вилку и башмак прикрепляют к трубе заклепками.
При ударно-канатном бурении используют желонки с плоскими одностворчатым и двустворчатым клапанами, полусферическим клапаном и поршневые.
Желонки с плоским клапаном (см. рис. 22.3, а) наиболее широко распространены. Они выпускаются длиной 4 м диаметром 114—273 мм с одностворчатым клапаном и диаметром 324—529 мм с двухстворчатым клапаном.
Желонки с полусферическим клапаном (рис. 22.3,6) применяют при бурении в песках, супесях и плывунах, а также для откачки воды из скважины. Полусферический клапан 1 обеспечивает плотное закрытие отверстия в башмаке 2, а его разрыхляющий язык 3 с ограничителем 4 — лучший забор разжиженной массы. Желонки изготовляют из труб диаметром 127, 168, 219, 273 мм длиной 3 м.
Поршневые желонки (рис. 22.3, в) используют при бурении плывунов и водоносных песков, а также при разведке россыпных месторождений и взрывных работах, когда требуется полностью очистить скважину от шлама.
Желонка состоит из башмака 1, трубы 6, в которой перемещается шток 5 с поршнем 3, и клапана 2. Поршень 3 представляет собой шайбу с отверстиями, закрываемыми клапаном 4 из кожи или резины. Желонку присоединяют к канату за ушко 7 в штоке.
При подъеме желонки поршень устанавливается в верхнее крайнее положение и засасывает разжиженную массу, а при постановке на забой он опускается до башмака. Эту операцию повторяют несколько раз, пока желонка не заполнится шламом.
Опорожнивание желонок производится через верхнее отверстие путем их опрокидывания и постановкой на язык или на специальный стержень в лотке. Клапан при этом приподнимается и содержимое желонки вытекает.
Буровые стаканы используют при бурении II глинах и суглинках с включением мелкой гальки. От желонок они отличаются отсутствием клапана.
Ударные штанги
Ударная штанга 9 (см. рис. 22.1) предназначена для увеличения массы бурового снаряда и предупреждения искривления скважины при ударном бурении. Она представляет собой стальной массивный цилиндрический стержень, имеющий с одной стороны наружную, с другой — внутреннюю коническую резьбу для соединения с долотом и раздвижной штангой, а также конические выточки для захвата ловильным инструментом и плоскости под ключ.
Ударные штанги изготовляют гладкоствольные и облегчен ные уменьшенного диаметра с высаженными концами.
Диаметры ударных штанг 112, 140, 165, 188 и 220 мм, длина 2, 4 и 6 м, масса от 300 до 1300 кг в зависимости от диаметра и длины.
Раздвижные штанги
Раздвижная штанга 10 (см. рис. 22.1) представляет собой два удлиненных замкнутых звена, скользящих одно в другом. Различают рабочие и ловильные раздвижные штанги с величиной расхода звеньев соответственно 250 и 400—500 мм. При подъеме верхнее звено ударяет по нижнему и облегчает отрыв долота от забоя и выбивание бурового снаряда при прихвате.
Диаметры раздвижных штанг 120, 160, 190, 220 и 260 мм, длина 1,5—2,0 м, масса 100—500 кг.

Канатные замки
Канатные замки служат для соединения каната с раздвижной или ударной штангой и для поворота бурового снаряда при подъеме после удара долота о забой. Поворот обеспечивается 1а счет упругих свойств стального каната, который раскручивается под нагрузкой и скручивается при снятии нагрузки.
Канатные замки бывают простые и самовращающиеся (со свободной втулкой). Самовращающийся канатный замок (рис. 22.4) состоит из корпуса 1 с внутренней конусной резьбой, втулки 2, в которой закрепляют канат, и опорной шайбы 3, предохраняющей корпус от деформации (расклепывания) и облегчающей поворот втулки вместе с канатом. Отверстия 4 служат для выпуска жидкости.
Простой канатный замок вместо втулки и шайбы снабжен внутренней конусной расточкой под грушевидное утолщение конца каната.
Переводники предназначены для соединения технологических инструментов, имеющих разные конусные резьбы.
Инструментальные ключи 1 (рис. 22.5) применяют для свинчивания и развинчивания резьбовых соединений бурового снаряда. Ввиду того, что при свинчивании развиваются усилия до :!() кН, инструментальные ключи изготовляют массивными и прочными.
Для свинчивания и развинчивания необходимы два инструментальных ключа.
Большие усилия на рукоятках инструментальных ключей создаются при помощи рычага 2 с цепью или затяжной трещетки.

ris 22.4
Рис. 22.4. Канатный замок
ris 22.5
Рис. 22.5. Вспомогательный инструмент 

Технология ударно-канатного бурения скважин и проектно-подготовительные работы
Перед началом бурения разрабатывают конструкцию скважины, технологию бурения, намечают необходимые гидрогеологические и геофизические исследования, составляют ГТН и определяют требуемое оборудование, технологический, вспомогательный и аварийный инструмент, приборы, материалы и их количество.
Методика разработки конструкции скважин аналогична уже рассмотренной при колонковом и роторном способах бурения.
Глубина скважины обусловлена глубиной залегания полезного ископаемого или исследуемого горизонта. Конечный диаметр зависит от цели бурения и назначения скважины. При разведке твердых полезных ископаемых для получения представительной пробы конечный диаметр может составлять 148— 198 мм. При бурении скважин на воду конечный диаметр определяется размерами фильтра и водоподъемника и может достигать значительных величин (148—445 мм и более).
Число колонн обсадных труб зависит от устойчивости пород в проектном геологическом разрезе, наличия водоносных и водопоглощающих горизонтов, цели бурения и выхода каждой последующей колонны из башмака предыдущей. Выход колонны при ударно-канатном бурении в рыхлых и мягких неустойчивых породах принимается 30—50 м, а при бурении с расширителем в устойчивых породах—до 100 м.
Башмаки обсадных колонн рекомендуется устанавливать в плотных породах на 2—3 м ниже контакта. Пески и плывуны следует перекрывать одной колонной обсадных труб. Башмак должен быть задавлен в вязкую породу на 0,5—1 м, а в крепких породах затампонирован глиной или цементным раствором.
Геолого-технический наряд заполняют по такой же форме, как и при колонковом бурении, только изменены параметры режима бурения.
Площадка, на которой намечается бурение скважины, должна быть горизонтальной и достаточной для размещения установки, бурового инструмента, санитарно-бытовых помещений, горюче-смазочных и других материалов.
Площадь участка, включая подъездные дороги и прочие инженерные коммуникации, согласно ОСТ41-98.03—74 для станков типа УКС не должна превышать в равнинной местности 1600 м2, и горной — 3000 м2.
Для снятия нагрузки с ходовой части установки под оси колес подкладывают брусья или приподнимают установку с помощью домкратов.
На месте заложения скважины выкапывают шурф, в который устанавливают направляющую трубу с башмаком и забивной головкой, а затем проверяют вертикальность трубы. Ось скважины должна находиться против желоба инструментального шкива на мачте установки. Легкими ударами забивного снаряда направляющую трубу погружают до уровня на 0,5 м выше рабочей площадки. Если порода мягкая, то ее удаляют из направляющей трубы желонкой. Твердую породу разрушают долотом. Для сбора шлама выкапывают шурф размерами 1,5Х1,5Х X 1,5 м, к которому от устья скважины подводят канавку сечением 0,3X0,3 м. Шурф должен иметь гидроизоляционное покрытие.

В местах возможного загрязнения почвы ГСМ, химическими реагентами, глиной, цементом и другими веществами удаляют плодородный слой почвы до 0,6 м и складируют его или создают защитное покрытие.
Основные параметры режима бурения
Эффективность разрушения породы ударным способом зависит от силы удара, которая определяется кинетической энергией (Дж) падающего снаряда
E = mha; где т — масса ударной части бурового снаряда, кг; к — высота подъема (сбрасывания) бурового снаряда, м; а — ускорение падающего снаряда в шламовой среде, м/с2.
Отсюда видно, что основные параметры режима ударно-канатного бурения следующие: масса ударной части бурового (наряда, частота ударов, высота подъема (сбрасывания) бурового снаряда, шламовый режим.
На забой действует часть бурового снаряда, масса которого (кг) определяется выражением
m = m1 + m2 + 0,5m3; где m1, m2, m3 — масса долота, ударной и раздвижной штанг соответственно, кг.
В практике буровых работ часто пользуются относительной массой бурового снаряда m0 = m/D, откуда массу ударной части бурового снаряда (кг) можно определить по формуле m = m0D; где m0 — относительная масса бурового снаряда, кг/см; D длина лезвия долота.
В современных установках частота ударов в 1 мин находится в пределах 40—60, а высота подъема снаряда над забоем — 0,35—1 м. Чем больше высота подъема, тем меньше должна быть частота ударов.
Высота подъема бурового снаряда регулируется перестановкой пальца кривошипа, а частота ударов — изменением частоты вращения двигателя.
На эффективность работы долота влияет также величина подвески бурового снаряда. Под подвеской понимают расстояние между забоем скважины и лезвием долота, когда свободно висящий снаряд находится в нижнем положении. При рациональной подвеске подъем, и падение снаряда происходят плавно, без рывков. Величина подвески зависит от массы снаряда, диаметра и длины каната, буримых пород и изменяется от 0 до 7 см.
На эффективность ударно-канатного бурения также влияет шламовый режим в скважине. При оптимальной плотности пульпы (смесь воды с разрушенными частицами породы) разрушенные частицы породы удерживаются во взвешенном состоянии, на забое отсутствует так называемая «подушка» из шлама, поглощающая значительную часть удара, в результате чего сопротивление движению снаряда невелико.
Плотность пульпы рекомендуется поддерживать в пределах 1500—1700 кг/м3, а ее высоту — 3—4 м. Для этого в скважину подливают воду в количестве от 20 до 60 л на 1 м углубки в зависимости от диаметра скважины, притока подземных вод и буримых пород.
Значение углубки за рейс составляет в крепких породах 0,3—0,5 м, в мягких—-0,9—1 м. Увеличение углубки за рейс по сравнению с указанной приводит к снижению производительности, так как энергия падающего долота расходуется на измельчение шлама.
Методика бурения в различных геологических условиях
В песках бурят желонкой с плоским или сферическим клапаном, утяжеленной короткой ударной штангой массой до 250 кг при минимальной частоте ударов. Высота подъема желонки может быть 1 м и более. Диаметр желонки принимается па 20—30 мм меньше внутреннего диаметра обсадных труб. Желонка не должна выходить ниже башмака обсадной трубы более чем на 0,5—0,75 ее длины, так как возможен ее прихват обвалившимся песком. В скважину можно забрасывать вязкую глину, которая будет предохранять стенки скважины от обрушения. Крепление скважины обсадными трубами производится одновременно с бурением. Трубы опускаются под действием их собственного веса или забиванием.
В плывунах и водонасыщенных песках бурят также желонкой с плоским или полусферическим клапаном при максимальной частоте ударов и минимальной высоте подъема желоночного снаряда над забоем. При этом желонка, работая, как поршень, отсасывает песок из-под башмака обсадной колонны, которая постепенно опускается под собственным весом.
При бурении в напорных плывунах скважину рекомендуется заполнять водой или глинистым раствором с необходимой плотностью для создания противодавления на плывун. Плывуны успешно бурят поршневой желонкой. Желонка не должна переполняться, иначе перебрасываемый через ее верхний край плывун может вызвать прихват.
Крепление скважины трубами должно опережать углубку, т. е. сначала забивают трубы, а затем выбирают породу желонкой.
Водонасыщенные пески и плывуны следует крепить одной колонной обсадных труб, так как при переходе на трубы другого диаметра может произойти их прихват. Башмак колонны следует устанавливать в плотных породах.
В галечниках и гравийных породах можно бурить желонками с плоским клапаном, грейферными желонками и долотами. Желонку утяжеляют ударной штангой массой до 350 кг. Высота сбрасывания желонки не должна превышать 1 м, так как при большей высоте отдельные камни могут вылетать через верхний край желонки и привести к ее заклиниванию в обсадных трубах.
Скопившуюся па забое крупную гальку разбивают буровым снарядом с долотом. При этом углубка происходит за счет уплотнения гальки в стенки и на забое скважины.
Крепление скважин трубами ведется одновременно с углубкой путем расхаживания обсадной колонны.
При бурении перемытых галечников и гравия в скважину для укрепления стенок забрасывают вязкую глину.
Бурение в валунных отложениях. Небольшие по размеру валуны бурят снарядом с пирамидальным долотом, которое отодвигает их в стенки скважины. Если валун сбить в сторону не удается, то его разрушают округляющим или крестовым долотом.
Мелкие валуны можно поднимать из скважины желонкой или стаканом. Крупные валуны разрушают буровым снарядом с округляющим или крестовым долотом, утяжеленным второй ударной штангой. Высота подъема снаряда принимается максимальной (+-1 м) при минимальной частоте ударов (<40 ударов в 1 мин).
Для предупреждения искривления скважины на забой засыпают щебень крупных пород размером 4—6 см, а для обеспечения устойчивости ее стенок забрасывают вязкую глину. Крепление скважины трубами ведется по мере углубления забоя.
Большие валуны разрушают торпедированием с помощью кумулятивных зарядов. Перед взрывом обсадные трубы приподнимают на 3—4 м. Если после взрыва обсадную колонну опустить на забой из-за обвала невозможно, то производят разработку и чистку скважины.
Бурение в глинах. Плотные и сухие глины разрушают двутавровым или плоским долотом на глубину 0,5—0,75 м. В скважину доливают 2—3 ведра воды и производят чистку желонкой.
Пластичные вязкие глины можно успешно бурить плоским или двутавровым долотом с наваренными дополнительными лопастями. Вязкий шлам налипает на лопасти долота и вместе с ним извлекается из скважины. Такое бурение в 2—3 раза производительней по сравнению с обычным способом.
Бурение следует вести при максимальной частоте ударов, небольшой высоте сбрасывания и подвеске (от 0 до 5 см) бурового снаряда.
Суглинки, супеси, лесс можно бурить буровым стаканом.
Крепление скважины трубами ведется с отставанием на несколько метров от забоя. Некоторые глины обладают большой устойчивостью и бурение в них может вестись на глубину десятков метров без крепления трубами.
В твердых и крепких породах бурят буровым снарядом с долотом, соответствующим проходимым породам. Параметры режима бурения определяются согласно рекомендациям. При износе лезвия более 5 мм долото следует заменить. Бурение новым долотом начинается на 2—3 м выше забоя, чтобы предотвратить его заклинивание в скважине.
При сужении скважины ее разбуривают новым округляющим долотом, предварительно насыпав на забой щебень из более крепкой породы, или расширяют взрывом.
При бурении в трещиноватых и закарстованных породах высота подъема бурового снаряда должна быть не более 0,5 м, а частота ударов до 60 в 1 мин.
При остановке в процессе дробления буровой снаряд необходимо поднимать выше шламового столба, чтобы не произошел прихват снаряда оседающим шламом.
Особенности бурения при разведке россыпей обусловлены прежде всего необходимостью получения качественной пробы. Эти особенности заключаются в следующем.
1. В рыхлых, сыпучих и обводненных породах колонна обсадных труб постоянно должна опережать забой на величину предохранительного столбика, высота которого составляет 5— 10 см, а при встрече плывунов —20—50 см. В валунно-галечниковых отложениях допускается отставание башмака обсадных труб от забоя на величину опробования, а в мерзлых и плотных устойчивых породах — бурение без крепления.
2. Углубка за рейс определяется величиной интервала опробования и составляет 0,2—0,5 м, и только в отдельных случаях углубка может достигать 1 м.
3. Регулирование оптимальной плотности шлама практически невозможно, так как бурение ведется в обводненных условиях и буровой снаряд при подъеме из скважины омывается значительным количеством воды.
4. Требуется полное извлечение из скважины породы и металла. Оставление шлама на забое недопустимо.
5. Породу разрушают только легким буровым снарядом с плоским долотом, имеющим толщину лезвия не более 50 мм.
6. Отклонения от установленного цикла бурения не допускаются. Забрасывать в скважину щебень, глину и прочие материалы можно только с разрешения геологической службы.
Эти меры предосторожности принимаются для исключения возможности переноса полезного ископаемого из предыдущих проб в последующие вместе с породой.
Отбор образцов и проб
При ударно-канатном бурении образцы пород и полезного ископаемого извлекают из скважины в виде кусков разной величины или бурового шлама. В каждом рейсе образцы пород следует отбирать из-под клапана желонки при ее последнем подъеме с забоя. Если желонкой вместо кусков породы поднимается пульпа, то ее сливают в сосуд, где она отстаивается, и затем берут образец из отстоявшегося осадка. Образцы вязких глинистых пород можно отбирать с помощью бурового стакана.
В однообразных мощных толщах пород образцы отбирают через каждые 1,5—2 м, а в малоизученных районах — через 0,5—0,1 м даже при бурении однородных пород.
Все отобранные образцы укладывают в ящик длиной 1 м с ячейками размерами 10X10X10 см. В каждую ячейку вместе с образцом вкладывают этикетку. При необходимости для сохранения естественной влажности образцов их помещают в мешочки и покрывают парафином.
Для опробования с образца, взятого с определенной глубины, отбирают небольшую часть породы — пробу.
При разведке твердых полезных ископаемых интервалы взятия проб колеблются от 0,2—0,5 м до 1—1,5 м. Небольшие интервалы принимают при разведке россыпей, а также при определении контактов тел полезного ископаемого или при разведке полосчатых залежей.
Для отбора проб при разведке россыпей применяют поршневые желонки или специальные пробоотборники.
Каждую пробу просушивают, собирают в мешочки из плот ной ткани или в специальные ящики и направляют для дальней шей обработки. В пробу вкладывают этикетку.