Способ ударного бурения
METHOD OF PERCUSSION DRILLING

Техническое решение относится к области горной техники, а именно к способам проходки скважин по породам средней и высокой крепости в горном деле и может найти применение в строительстве.
Известен способ образования щели в массиве (а.с. СССР №269098, кл. Е21с 3/00, E21f 17/10, опубл. 17.04.1970, Бюл. №15), согласно которому разрушение забоя щели с удалением продуктов разрушения осуществляют нанесением ударов по инструменту при колебательном его перемещении относительно продольной оси щели на величину, равную половине расстояния между лезвиями инструмента.
Общим признаком с предлагаемым решением является то, что разрушение всей площади забоя осуществляют за счет удара и поперечного перемещения инструмента без его вращения.
Недостатком способа является то, что направление удара к плоскости забоя перпендикулярно. Такое направление для разрушения породы наиболее энергозатратно, что не позволяет существенно повышать производительность бурения. Кроме того, для создания колебательного перемещения инструмента относительно продольной оси щели требуется отдельный механизм его реализации, что усложняет технологию бурения и удорожает проведение работ.
Наиболее близким аналогом по технической сущности и совокупности существенных признаков, принятым за прототип, является способ образования щелей в массиве горных пород, описанный в а.с. СССР №381744, кл. Е21с 3/00, Е 21f 17/10, опубл. 22.05.1973. Бюл. №22.
Способ заключается в том, что на породоразрушающий инструмент оказывают ударное воздействие и сообщают ему противоположно направленные движения вдоль щели, которым придают возвратно-поворотный характер с одновременным созданием на него осевого усилия.
Общими признаками с предлагаемым решением является то, что породоразрушающий инструмент имеет выпуклую забойную часть и на него оказывают ударное воздействие, а его движениям придают возвратно-поворотный характер с одновременным созданием на него осевого усилия. Также удаляют буровую мелочь из скважины.
Недостатком способа является то, что для придания движениям породоразрушающего инструмента возвратно-поворотного характера требуется отдельный механизм реализации, что усложняет технологию бурения. Возвратно-поворотные движения, в данном случае, не обеспечивают полного поражения забоя между инденторами породоразрушающего инструмента, т.к. для этого ему необходимы противоположно направленные движения вдоль щели, что также требует наличия механизма реализации, усложняя процесс бурения. Энергия удара используется лишь для разрушения породы.
Таким образом, известный способ ограничен в своем использовании и не обеспечивает достаточной эффективности бурения т.к. связан с необходимостью создания и использования ряда дополнительных устройств для его реализации, а схема приложения ударной нагрузки к забою не обеспечивает снижение энергоемкости разрушения породы.
Проблемой, решаемой предлагаемым техническим решением, является повышение эффективности способа ударного бурения за счет уменьшения внешнего воздействия на буровой снаряд и упрощения комплекта бурового оборудования путем более полного использования энергии удара как для разрушения породы, так и для перемещения инструмента, а также за счет снижения энергоемкости разрушения породы.
Проблема решается тем, что в способе ударного бурения, при котором породоразрушающий инструмент с выпуклой забойной частью прижимают к забою скважины, оказывают на него ударное воздействие и осуществляют возвратно-поворотное движение в продольной плоскости, удаляют буровую мелочь из скважины, согласно техническому решению возвратно-поворотное движение породоразрушающего инструмента осуществляют путем попеременного ударного воздействия на его боковые части, по меньшей мере, двумя ударными устройствами.
Ударное воздействие смещено от центра на боковые части породоразрушающего инструмента и создает крутящий момент, который стремится провернуть породоразрущающий инструмент в продольной плоскости. При этом происходит разрушение породы на забое, а также перемещение породоразрушающего инструмента вдоль продольной оси и его поворот. Это обеспечивает углубление скважины. При совершении сложного движения породоразрушающего инструмента его индентеры наносят косо-направленные удары по породе, что значительно снижает энергоемкость ее разрушения за счет более активного процесса трещинообразования и большего объема выкола.
Возможность сочетания ударного воздействия как для разрушения породы, так и для перемещения породоразрушающего инструмента позволяет ограничиться только прижимом бурового снаряда к забою и для этого использовать легкое и простое оборудование, что, в свою очередь, снижает его металлоемкость, делает комплект оборудования более мобильным, дает возможность его использования в труднодоступных местах, удешевляет производство работ.
Изменение режима работы ударных устройств позволяет включать одно из ударных устройств на более продолжительное время относительно другого, за счет чего возможно искривление траектории скважины и, тем самым, осуществление направленного бурения. Снижение внешнего воздействия на буровой снаряд дает возможность более крутого изменения траектории движения.
Прижим породоразрушающего инструмента к забою скважины можно осуществлять толкателем, расположенным вне скважины, через став штанг. Это оборудование характеризуется простотой и мобильностью.
Прижим породоразрушающего инструмента к забою скважины можно также осуществлять при помощи гибкой тяги, пропущенной через пионерную скважину и соединенную с лебедкой, расположенной вне скважины.
В этом случае происходит расширение пионерной скважины малого диаметра. Использование пионерной скважины позволяет осуществлять проходку скважины заданного направления.
Породоразрушающий инструмент можно прижимать к забою силой, возникающей при ударе ударного устройства, упертого в распорное устройство, расположенное внутри скважины. В этом случае нет необходимости в располагаемом вне скважины оборудовании для прижима, а буровой снаряд будет бесштанговым и самоходным, обладающим большой степенью автономности.
Все предложенные схемы реализации способа повышают его эффективность.
Сущность технического решения поясняется примером реализации способа ударного бурения и чертежами фиг. 1-3.
На фиг. 1 показана схема реализации способа ударного бурения с использованием толкателя. На фиг. 2 показана схема способа с местным разрезом с использованием гибкой тяги, пропущенной через пионерную скважину, и лебедки вне скважины. На фиг. 3 показана схема способа с упором ударных устройств в распорное устройство, расположенное внутри скважины. Стрелки на фиг. 1 показывают направление перемещения породоразрушающего инструмента при попеременном включении ударных устройств. Стрелки на переключателе показывают переменное его передвижение к стенкам скважин.
Скважина в поперечном сечении может иметь различную форму -квадратную, прямоугольную (щель), круглую.
Способ осуществляют следующим образом. При проходке скважины одно из двух ударных устройств 1 (фиг. 1) включают и наносят удары по породоразрушающему инструменту 2 с выпуклой забойной частью, который прижимают к забою до нанесения ударов, по его боковой части 3. При этом породоразрушающий инструмент 2 совершает сложное движение вперед с одновременным поворотом в продольной плоскости на угол, обеспечивающий перемещение выпуклой забойной части породоразрушающего иструмента на расстояние, равное или большее расстояния между лезвиями или инденторами породоразрушающего инструмента 2 для полного поражения площади забоя. При этом движении индентеры передают на забой косонаправленные удары, которые обеспечивают интенсивное разрушение породы. При повороте породоразрушающего инструмента 2 происходит обработка всей площади забоя без необходимости осевого вращения бурового снаряда. При дальнейшем движении работающее ударное устройство 1 занимает положение в скважине, при котором связанный с ним переключатель 4 подвижным концом своего золотника упирается во внутреннюю поверхность салазок 5, скользящих по скважине. При достижении крайнего положения, с использованием энергии энергоносителя, воздействующего на золотник, переключают ударные устройства 1: первое выключают, а другое включают и наносят им удары с его стороны по другой боковой части 3. Работа происходит аналогично работе при включенном первом ударном устройстве 1. При попеременном включении ударных устройств 1 породоразрушающий инструмент 2 совершает возвратно-поворотное движение. При необходимости изменить направление скважины по рукаву 6 на переключатель 4 подают сигнал для изменения времени работы одного ударного устройства 1 относительно другого, что приведет к изменению направления скважины.
Для прижатия породоразрушающего инструмента 2 к забою скважины может быть использован толкатель 7 (фиг. 1), расположенный вне скважины и передающий усилие на буровой снаряд через став штанг 8, по которому подают энергоноситель для работы ударных устройств 1 и который служит для извлечения бурового снаряда из скважины.
Толкатель может быть выполнен в виде простого пневмо- или гидроцилиндра, который также может служить и для извлечения бурового снаряда из скважины. Поскольку отсутствует вращение бурового снаряда, в скважине может размещаться кабель или рукав для управления режимом работы ударных устройств для возможной корректировки движения бурового снаряда и для направленного бурения.
Для расширения скважин с использованием предлагаемого способа, буровой снаряд прижимают к забою скважины, используют гибкую тягу 9, пропущенную через пионерную скважину 10 и соединенную с лебедкой 11, расположенной вне скважины (фиг. 2). Энергоноситель в этом случае подают по рукаву 12. Траектория вновь образующейся скважины большего сечения совпадает с точно пробуренной пионерной скважиной 10.
Для повышения автономности бурового снаряда с использованием предлагаемого способа внутрь скважины вводят распорное устройство 13 (фиг. 3), являющееся упором ударных устройств 1 для восприятия реакции на их корпуса при образовании ударного импульса. В этом случае породоразрушаещий инструмент 2 прижимают к забою скважины и осуществляют разрушение породы за счет силы, образующейся при ударе, а периодические удары по корпусу обеспечивают перемещение бурового снаряда в скважине вперед.
Есть возможность за буровым снарядом устанавливать буровой пакер и осуществлять вынос буровой мелочи из скважины по отдельному рукаву, что позволяет осуществлять проходку скважин большого сечения без использования большого количества очистного агента.
Есть возможность вводить в скважину аппаратуру для регистрации отклонения траектории движения в процессе бурения.
В процессе бурения очистка забоя от буровой мелочи с использованием каналов в породоразрушающем инструменте (на фиг. 1-3 не показаны) и ее вынос из скважины осуществляют отработанным энергоносителем или отдельно подаваемым очистным агентом.