ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О РЕАКТИВНО-ТУРБИННОМ БУРЕНИИ ВЫРАБОТОК БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА
Студент Дрюк А.А.(ДонНТУ)
Реактивно-турбинное бурение Одновременно с бурением шахтных стволов установками К. Н. Щепотьева и В. П. Иванова, Г. И. Маньковского, Ш. Х. Оганесова и Ф. Д. Мещерякова (MOM), Уральского завода тяжелого машиностроения (УЗТМ) в начале 50-х годов во Всесоюзном научно-исследовательском институте буревой техники (ВНИИБТ) начались экспериментальные работы по бурению вертикальных горных выработок большого диаметра бурами с двумя и тремя параллельно соединенными турбобурами, названными позднее реактивно-турбинными бурами (РТБ). Конструкцию бура разработали Р. А. Иоанесян, Г. И. Булах, М. Т. Гусман, В. А. Высоцкий. Для выполнения всех технологических операций, входящих в комплекс работ по сооружению вертикальных горных выработок большого диаметра, предусматривалось использовать в основном буровые установки, выпускаемые Уральским машиностроительным заводом (Уралмаш) для бурения скважин на нефть и газ, а также самоходные установки для ремонта скважин.
В 1953 г. на вентиляционном шурфе шахты № 8-бис в Донбассе было проведено промышленное испытание первой установки РТБ, за 50 дней пробурено 17,5 м вертикальной выработки диаметром 2,07 м в породах с коэффициентом крепости f=10-12 по шкале проф. М. М. Протодьяконова. В дальнейшем работы по совершенствованию существующих и разработке новых конструкций буров, технологий бурения, крепления, осушения и других технологических процессов велись в специально созданной при ВНИИБТ лаборатории реактивно-турбинного бурения коллективом, который возглавил канд. техн. наук Г. И. Булах. По его инициативе в Донбассе был создан трест "Спецшахтобурение" для бурения стволов и скважин большого диаметра.
Сущность способа заключается в том, что разбуривание породы реактивно-турбинным буром производится жестко соединенными между собой параллельно работающими двумя, тремя или четырьмя турбобурами с навинченными на их валах долотами значительно меньшего диаметра, чем разбуриваемая площадь забоя. Валы турбобуров вращаются буровой жидкостью, подаваемой поршневыми или центробежными насосами. Мощность турбобуров зависит от напора и подачи насосов, пропускной способности нагнетательного трубопровода, диаметра бурильных труб и пропускных каналов траверсы. Кроме вращения вокруг своей оси жестко соединенные между собой турбобуры получают дополнительное движение вокруг вертикальной оси бура, теоретически совпадающей с осью выработки, благодаря чему шарошки долот соприкасаются с забоем одним венцом зубьев, вершины которых раньше всех встречают горизонтальную плоскость забоя. Это позволяет при ограниченном общем осевом усилии создавать контактные напряжения, значительно превышающие напряжения, достигаемые при самых форсированных режимах турбинного бурения обычных скважин; бурить вертикальные горные выработки большого диаметра в породах различной крепости, в том числе и крепких (8-10-й категорий крепости по буримости); получать высокую механическую скорость при ограниченном осевом усилии на каждое долото, что значительно увеличивает продолжительность работы опор шарошек.
Вращение бура может осуществляться как за счет сил реакции забоя и пульпы, возникающих при работе турбобуров, так и за счет принудительного вращения его ротором буровой установки через колонну труб, на которой бур подвешен. В современной технологии реактивно-турбинного бурения (особенно выработок больших диаметров и глубин, а также в породах выше средней крепости) способ вращения бура ротором является основным. Вращение за счет сил реакции из-за отсутствия специальных долот осуществляется очень редко. Переход на вращение бура ротором способствовал значительному увеличению скорости бурения выработок.
Вынос разбуренной породы на поверхность осуществляется комбинированным способом: восходящим потоком буровой жидкости и шламоуловителями, установленными на РТБ. В отдельных "случаях используется периодическая эрлифтная очистка, которая на практике пока широкого применения не получила. Наиболее эффективна очистка забоя и всей выработки от выбуренной породы в тех случаях, когда в качестве буровой жидкости используется глинистый раствор высокого качества, приготовленный из глинопорошка.
Вертикальные горные выработки, пробуренные РТБ, имеют минимальные отклонения от оси. Объясняется это в первую очередь сложным движением породоразрушающего инструмента, а также тем, что осевое усилие на долота не превышает 1/2- 1/3 массы бура. Опыт практики показывает, что с увеличение диаметра выработки угол отклонения ее от вертикали приближается к нулю. При реактивно-турбинном бурении разрушение забоя происходит по концентрическим кольцевым дорожкам. Ширина их зависит от диаметра долота и коэффициента разработки породы каждым долотом, совершающим сложное движение по забою. Коэффициент разработки зависит в основном от крепости пород и величины, на которую отклоняется долото от своей оси при работе на забое.
Диаметр выработки определяется суммой расстояния между осями крайних валов турбобуров, диаметра крайних долот и величины разработки. Современные конструкции РТБ позволяют разрушать забой по одной, двум и трем кольцевым окружностям. Наибольшее распространения получили буры, разработанные ВНИИБТ, в трестах "Спецшахтобурение" и "Союзшахтоосушение". Конструкцией всех типов буров предусмотрено использование долот практически всех размеров (от 190 мм и выше), выпускаемых отечественной промышленностью, что позволяет бурить выработки необходимого диаметра. Под основным следует понимать диаметр выработки, который указан цифрами в типоразмере бура и получаемый при оснащении его определенным размером долот. Остальные, т. е. дополнительные, диаметры выработки можно получить при использовании долот других размеров.
Высокую скорость проходки реактивно-турбинным способом можно получить при бурении выработок на форсированных режимах. Для этого необходимы следующие основные условия: достаточная забойная мощность; высокое качество изготовления и сборки всех конструктивных элементов бура; укомплектование бура турбобурами, обеспечивающими эффективную работу долот; использование типа долот в соответствии с их назначением, а также выбор оптимальной схемы расположения их на валах турбобуров; обеспечение устойчивости стенок независимо от горно-геологических условий бурения и диаметра выработки; правильный выбор частоты вращения бура и нагрузки на забой; использование буровой жидкости с такими параметрами, которые обеспечивают не только устойчивость стенок выработки и эффективную очистку забоя от выбуренной породы, но и продолжительную работу всех турбобуров с постоянными характеристиками.
На практике, как правило, бурение ведется в условиях переслаивания пород различной крепости, трещиноватых с залеганием пластов от 5-10 до 60-70°, иногда при обрушении из стенок и попадании на забой кусков породы различных размеров и крепости с вышележащих горизонтов. Кроме того, невозможно подобрать все турбобуры с абсолютно одинаковой характеристикой.
В настоящее время в бурах всех типоразмеров в основном используют турбобуры и долота одного типа. В отдельных случаях имеет место использование в рейсе породоразрушающего инструмента различного типа. Но это вызвано скорее недостаточным количеством его, чем научно обоснованными рекомендациями. В связи с тем что в существующих конструкциях РТБ не предусмотрено изменение характеристики турбобуров в процессе бурения или в отдельных рейсах и отсутствуют средства постоянного контроля за их работой, целесообразно применять один типоразмер забойных двигателей, хотя это и не позволяет осуществлять распределение мощности пропорционально величинам разбуриваемых кольцевых площадей. Принято считать, что осевые усилия по всем долотам распределяются равномерно. Между тем анализ отработки долот в бурах различных конструкций показывает, что в бурах с четырьмя одновременно работающими турбобурами в обеспечении равномерной загрузки долот имеются определенные сложности, связанные с разбуриванием неодинаковых площадей забоя. Поэтому при выборе типа забойного двигателя (турбобура) необходимо руководствоваться тем, что он должен обеспечивать эффективную работу долот не форсированных режимах независимо от величины разбуриваемой площади забоя, крепости пород и их физико-механических свойств. Используемые в настоящее время при реактивно-турбинном бурении трубы диаметром 168мм" замковые соединения ЗШ-203, шланги высокого давления, вертлюги, траверсы буров с проходными каналами диаметрами 150, 127, 102, 100, 90 мм и турбобуры Т12РТ-240 с числом ступеней 104 препятствуют дальнейшему повышению забойной мощности, а следовательно увеличению диаметра . и глубины бурения стволов и скважин большого диаметра в различных горно-геологических условиях и в породах различной крепости. Эти выводы подтверждены практикой. Так, например, при бурении ствола диаметром 3,2 м на шахте "Белореченская" ПО "Ворошиловградуголь" были использованы бурильные трубы диаметром 219 мм, вертлюг с проходным отверстием 120 мм, три шланга высокого давления с диаметром проходного отверстия 100 мм каждый. Несмотря на то что бурение осуществлялось с использованием центробежных насосов ЦНС-300/600, количество промывочной жидкости, поступающей к турбобурам, увеличилось на 60- 80 м3/ч и составило 540 м3/ч, частота вращения агрегата за счет реактивного момента возросла с 2-3 до 4-5 мин-', увеличилась и нагрузка на забой, что позволило получить повышение механической скорости бурения на 32-34%. Положительные результаты были получены в производственных условиях при использовании в РТБ шпиндельных турбобуров, Бурение скважины диаметром 1300 мм на шахте "Северная" ПО "Торезантрацит" осуществлялось двухтурбинным РТБ, укомплектованным долотами ДРБ 620, с использованием труб диаметром 160 мм и центробежных насосов ЦНС-300/600. Частота вращения агрегата за счет реактивного момента увеличилась с 6 до 18 мин., механическая скорость бурения в породах средней крепости возросла в 1,5 раза.
В современной практике, благодаря постоянному совершенствованию техники, технологии производственных процессов, повышению качества выполненных работ, а также внедрению новых технологий, таких как бурение устьев, изготовление, стыковка и спуск крепи, реактивно-турбинное бурение получило дальнейшее развитие и распространение.
Выработки проходят в самых разнообразных горно-геологических условиях: от мягких, обводненных пород и плывунов до-крепких, нередко трещиноватых, с крутым залеганием пластов в стесненных условиях поверхности, в местах со сложным рельефом местности. За последние годы бурение стволов и скважин. большого диаметра осуществляется также через погашенные, т.е., отработанные горизонты, в неустойчивом породном массиве, вблизи действующих горных выработок, в условиях повышенного водопритока и газопроявления, в вечной мерзлоте и песках. Дальнейшее его развитие зависит от решения многих технических и организационных вопросов.