Тема 6. Бурові роботи. Способи буріння та обладнання
1. Бурові роботи та способи буріння
Буріння здійснюють під час проведення вибухових робіт, зведення пальових фундаментів (буронабивних, буроін’єкційних), закріплення основ (цементація, заморожування), водозниження, дослідження нашарування ґрунтів, розвідування покладів корисних копалин тощо.
Буріння – це утворення спеціальних порожнин циліндричної форми за допомогою бурильного інструмента.
Циліндричні порожнини – бурові виробки – діаметром до 75 мм і до 6 м завглибшки називають шпуром, діаметром більше ніж 75 мм, понад 6 м завглибшки – свердловиною. Шпури та свердловини бувають вертикальні, похилі та горизонтальні. Місце у поверхні землі, де починаються шпури або свердловини, називають устем. Дно шпурів або свердловин – забоєм, бокові поверхні – стінками. Комплекс заготівельно-транспортних, основних робіт і операцій з улаштування циліндричних порожнин (свердловин і шпурів) називають буровими роботами.
Процес буріння складається з двох операцій – руйнування (відділення) породи на дні (у забої) бурової виробки та видалення зруйнованої породи.
Залежно від характеру руйнування порід та глибини виробок застосовують такі способи буріння:
● механічні – ударний, обертовий, вібраційний, ударно-обертовий, коли породи руйнуються під впливом породоруйнівних інструментів;
● фізико-хімічні – термічний, вибуховий, гідравлічний, електрогідравлічний, ультразвуковий та плазмовий.
Найчастіше буріння виконують механічними способами, з фізико-хімічних найчастіше застосовують термічний (вогневий) спосіб.
Зруйнований ґрунт (буровий дріб’язок, шлам) видаляють з виробки за допомогою глинистого розчину або води, струминою стисненого повітря, шнековими пристроями, желонками та іншими пристроями, які вибирають залежно від способу буріння, глибини виробки та виду ґрунту.
Стінки свердловин у слабких, пухких та з великим вмістом води ґрунтах закріплюють сталевими обсадними трубами. Колони обсадних труб збирають з ланок 1,5–4,5 м довжиною, з’єднаних муфтами, ніпелями або вгвинчуванням (трубу в трубу).
Для буріння шпурів застосовують перфоратори (бурильні молотки) та електросвердла. Робочою частиною перфораторів (рис. 6.1, а, в) є долотчастий буровий інструмент, хрестоподібні та зірчасті бури та коронки.
Шпури до 2,5 м завглибшки та діаметром до 45 мм бурять ручними легкими (до 20 кг) та середніми (до 25 кг) перфораторами, більші за 2,5 м завглибшки та діаметром 47–75 мм – важкими (до 35 кг), які встановлюються на спеціальні візки або триноги. Буровий дріб’язок та шлам видаляють промиванням виробки водою під тиском або продуванням стисненим повітрям.
Електросвердла – легкі з ручною та важкі з автоматичною подачею, застосовують для обертового буріння шпурів діаметром до 75 мм та до 5 м завглибшки в породах різної міцності. У разі застосування ручного електросвердла (рис. 6.1, б) осьовий тиск створюється за рахунок мускульної енергії бурильника. Колонкові електросвердла, які закріплені у розпірній колонці, мають автоматичне подавання. Робочим органом будь-якого свердла є змінний різець, закріплений на колонці бурової штанги.
Рис. 6.1. Бурові установки. Обладнання та інструмент для буріння шпурів і свердловин
Продовження рис. 6.1. Бурові установки. Обладнання та інструмент для буріння шпурів і свердловин: а – бурильний молоток; б – ручне електросвердло; в – форми головок бура; г – схема ручного термобура; д – бури ручні; е – самохідна установка колонкового буріння; є – робочі наконечники; 1 – трубки, зварені у рамку; 2 – циліндр; З – буротримач; 4 – глушитель шумів; 5 – поворотна рукоятка; 6 – повітряний шланг; 7 – патрубок; 8 – корпус; 9 – ручка; 10 – електрокабель; 11 – патрон; 12 – верхня кришка; 13 – сопло; 14 – камера згоряння; 15 – паливна трубка; 16 – щиток; 17 – труба; 18 – повітряний кран; 19 – манометр; 20 – паливний кран; 21 – паливний шланг; 22 – редукторний клапан; 23 – паливний насос; 24 – паливний бак; 25 – ручний бур-щуп; 26 – лопатеньзмійовик; 27 – лопатень-желонка; 28 – клапан; 29 – двигун; 30 – насос; 31 – щогла; 32 – блок; 33 – трос; 34 – вертлюг; 35 – штанга; 36 – ротор; 37 – буровий снаряд; 38 – коронка, армована різцями з твердого сплаву; 39 – те саме, дрібними алмазами; 40 – шротова коронка; 41 – шарошкове долото; 42 – хрестоподібне долото; 43 – уступчасте долото
Для буріння шпурів у м’яких ґрунтах до 5 м завглибшки користуються також ручним буром-щупом (рис. 6.1, д, 25), оснащеним різними наконечниками. У мерзлих ґрунтах та дуже міцних породах із вмістом кварцу використовують ручні термобури (рис. 6.1, г) переважно для буріння шпурів діаметром 60 мм на глибину до 1,5–2,0 м.
Буріння свердловин виконують верстатами ударної (ударноканатної), ударно-обертової, обертової (шнекової, колонкової та роторної) дій. Верстатами ударно-канатного буріння утворюють свердловини діаметром до 350 мм та до 50 м і більше завглибшки у різноміцних породах.
Ударно-обертове буріння із заглибним пневмоударником (пневмоударне буріння) порівняно з ударно-канатним має більшу швидкість (10–35 м/зміну). При цьому буріння свердловин може бути напрямленим від 0 до 90° по горизонталі. При бурінні ударна дія та обертання долота здійснюються двома незалежними один від одного механізмами. Станками ударно-обертового буріння бурять свердловини діаметром 100–200 мм, до 30 м завглибшки тільки у важкобуримих та абразивних скельних породах. Можливе застосування багатошпиндельного буріння. Його недолік – мала стійкість бурових колонок та велике пилоутворення.
Обертове буріння характеризується високою продуктивністю (у 3–5 разів перевищує продуктивність ударного буріння), порівняно низькою вартістю бурових робіт, можливістю буріння вертикальних, похилих та горизонтальних свердловин. При цьому виді буріння порода забою розтирається, ріжуть та сколюють її за допомогою бурового інструмента, жорстко закріпленого на нижньому кінці штанги, що обертається.
Шнекове буріння застосовують для свердловин діаметром 110–125 мм, до 30 м завглибшки у м’яких та мерзлих ґрунтах.
При застосуванні верстатів колонкового буріння (рис. 6.1, є) у нижній частині бурового снаряда встановлюють колонкову трубу, яку перехідником з’єднують з кільцевою коронкою, армованою різцями з твердих сплавів або алмазами (рис. 5.1, є, 38, 39). Якщо свердловини бурять коронкою, то вибурюють кільцевий забій, а незачеплений стовпчик породи (керн), що залишається, входить у колонкову трубу, разом з якою його витягують на поверхню. Інколи замість армованих застосовують шротові коронки (рис. 6.1, є, 40). У цьому випадку для руйнування породи у свердловини насипають чавунний чи сталевий шрот.
При застосуванні верстатів роторного буріння бурильні труби обертаються спеціальним обертачем-ротором, який установлюють безпосередньо над устям свердловини діаметром 300–400 мм. Для руйнування міцних порід при роторному бурінні найчастіше застосовують шарошкові (рис. 6.1, є, 41), хрестоподібні та уступчасті долота (рис. 6.1, є, 42, 43), які розробляють ґрунт по всій площі забою свердловини.