Механическое разрушение горных пород
Ударно-вращательное и вращательно-ударное бурение
Ударно-вращательное и вращательно-ударное бурение скважин – достаточно распространенная технология для сооружения геологоразведочных скважин. Для бурения глубоких скважин на нефть и газ эта технология применяется не часто. При бурении на нефть и газ ее основная область применения верхние интервалы, сложенные достаточно твердыми горными породами. Обычно этот метод совмещают с очисткой забоя от разрушенной породы методом продувки, поэтому его закономерно применять в зонах трещиноватых пород, для которых характерны высокоинтенсивные поглощения.
Технологический процесс заключается в разрушении породы постоянно вращающимся буровым инструментом, по которому наносятся удары. Удар обычно наносится пневмоударником, находящимся на забое, а вращение осуществляется с поверхности. Концептуально ударно-вращательное и вращательно-ударное бурение отличаются соотношением ударных и вращательных испульсов. То есть, при ударно-вращательном – основной способ воздействия – это нанесение ударов с периодическим поворотом (проворотом) инструмента. А при вращательно-ударном – это постоянное вращение инструмента с периодическим нанесением ударов. Таким образом, в зависимости от геологических особенностей участка измельчение грунта может происходить преимущественно или под воздействием удара, или под действием крутящего момента. Следовательно, выбор подтипа определяется геологическими особенностями – для более твердых и крепких пород логичнее использовать ударно-вращательный способ, а для пластичных и упруго-пластичных пород – вращательно-ударный способ.
Особенностью этих методов является то, что вращение и удары выполняют независимые механизмы – вращатель и пневмоударник (гидроударник). Сжатый воздух (или гидросмесь в виде пены) подается к ударнику через колонну буровых/бурильных труб. Эффективному дроблению породы помогает крутящий момент, который прикладывается к инструменту мощным вращателем (ротором), расположенным на поверхности. Хотя вполне может использоваться компоновка двух забойных механизмов – например, гидроударник и забойный двигатель вращательного типа. В принципе, не исключены варианты, при котором ударный и вращательный механизм могут располагаться в одном корпусе. Также для бурения мелких скважин возможно использование ударного и вращательного приводов, расположенных на поверхности, передающих динамическое воздействие на коронку через колонну жестких труб.
При бурении скважин таким способом может использовать пневмоударник, обеспечивающий 1000-2000 ударов в минуту или гидроударник, характеризующийся еще большей производительностью. Они могут давать до 3500 ударов в минуту.
Главным рабочим инструментом в рассматриваемой технологии бурения скважин является буровая коронка. Инструмент должен эффективно передавать комплексную нагрузку. На основе многочисленных исследований было выявлено, что для каждого типа разрушаемой породы необходимо свое сочетание сил динамического и статического характера. Исходя из этого, в зависимости от условий бурения и подбираются лезвия рабочего инструмента. Если они будут подобраны неправильно, то инструмент быстро износится.