Ударно-роторное бурение: объяснение того, почему удары по породе при вращении изменили всё.
Если вы когда-либо бурили твердый гранит с помощью роторной буровой установки, вы знаете это ощущение. Долото вращается, вес давит вниз, и ничего особенного не происходит. Скорость проходки падает до миллиметров в минуту. Долото затвердевает. Бригада начинает проверять свои телефоны.
Теперь представьте ту же самую породу, но на этот раз на дне скважины находится молоток, который вбивает буровое долото в породу пятьдесят раз в секунду, в то время как над ним вращается буровая веревка. Это ударно-роторное бурение. И в твердых породах это не просто быстрее — зачастую это разница между жизнеспособным проектом и проектом, который будет уносить деньги за счет издержек на эксплуатацию скважин.
Откуда это взялось
Идея сочетания вращения и ударного воздействия не нова. Европейские бурильщики экспериментировали с ней еще в начале 1800-х годов. Министерство геологии Китая начало серьезные исследования в 1958 году, а технология получила развитие в 1970-х годах по мере совершенствования гидравлических и пневматических систем. Привлекательность была очевидна: в твердых породах одно лишь вращение вызывает скрежет. Добавьте ударное воздействие, и вы получите разрушение.
Три силы — ударный импульс от молотка, осевая нагрузка на долото и вращательный момент от буровой головки — воздействуют на долото одновременно. Удар создает микротрещины в породе перед рабочей поверхностью долота. Вращение перемещает долото в свежую породу при каждом ударе. Давление подачи поддерживает долото в зацеплении, так что энергия удара фактически передается в породу, а не возвращается обратно в буровую колонну.
Результат: более высокая скорость проходки, больший интервал между сменами долот, более прямые скважины (поскольку ударное воздействие лучше противодействует отклонениям, чем чистое вращение) и значительно более низкая стоимость за метр в твердых породах.
Два способа забить молоток
Ударно-вращательные системы делятся на два семейства в зависимости от того, что приводит молоток в движение:
Гидравлические (жидкостные) системыВ таких системах используется буровой раствор — буровая жидкость или вода — закачиваемый в бурильную колонну для привода поршневого молотка, установленного над керноотборником или долотом. Тот же раствор, который приводит в действие молоток, также вымывает шлам. Эти системы широко распространены в разведке полезных ископаемых и геотехническом бурении, особенно когда необходимо поддерживать чистоту скважины для извлечения керна. Их можно даже комбинировать с керноотбором с помощью проволочного троса, когда молоток и внутренняя трубка опускаются в колонну бурильных штанг и извлекаются с помощью проволочного захвата — нет необходимости опускать всю колонну для каждого прохода керна.
Пневматические системы— то, что большинство людей подразумевают под ДТХ (Вниз-Он-Дыра — бурение в скважину) — это использование сжатого воздуха. Молоток располагается непосредственно за долотом на дне скважины. Воздух приводит в движение поршень, а отработанный воздух выдувает буровой шлам вверх по затрубному пространству. Системы ДТХ доминируют в бурении взрывных скважин, бурении водяных сквавок и строительном бурении, где диаметр скважин больше и использование воздуха целесообразно. Они обеспечивают более высокую энергию удара за один проход, чем большинство гидравлических молотков, и исключительно хорошо работают в твердых, абразивных породах.
Частотные классы: быстрое постукивание против сильного удара.
Не все ударные молотки работают одинаково. Они делятся на два частотных класса, и от того, какой класс вы используете, зависит тип используемого сверла:
Высокочастотные молотки (выше 40 Гц — более 40 ударов в секунду)Это высокочастотные молотки. Они обеспечивают меньшую энергию за удар, но с гораздо большей частотой. В высокочастотном режиме основным механизмом разрушения породы по-прежнему остается вращение — удар помогает поддерживать рабочую поверхность долота в рабочем состоянии и предотвращает его засаливание в твердых породах. Эти молотки используются в паре с алмазными долотами, где режущее действие обеспечивается за счет алмазов, прорезающих породу, а удар предотвращает полировку породы.
Низкочастотные молотки (ниже 40 Гц)Это мощные ударные инструменты. Меньше ударов в секунду, но каждый удар передает значительно больше энергии. В этом режиме удар является основным механизмом разрушения породы, а вращение в основном приводит в движение долото. Эти молотки работают в паре с долотами с твердосплавными вставками из карбида вольфрама — большие твердосплавные кнопки могут поглощать и передавать высокую энергию одного удара, не разрушаясь, чего обычно не могут алмазные сегменты.
Выбор частоты определяется твердостью пласта, типом долота и тем, что вы оптимизируете: скорость проходки или срок службы долота.
Почему всё это важно при покупке инструментов
Если вы покупаете ударно-сверлильные молотки или сверла для какого-либо проекта, то принцип ударно-вращательного движения имеет значение, поскольку он определяет, что изнашивается и как.
Дистальный пневматический молоток — это высокоточное устройство. Поршень вращается в цилиндре с зазорами, измеряемыми в тысячных долях дюйма. Загрязненный воздух, недостаточная смазка или работа при неправильном давлении не только снижают производительность, но и разрушают молоток изнутри. Поршень заедает в цилиндре. Обратный клапан заклинивает. Хвостовик сверла выходит из строя из-за износа. Это предотвратимые поломки, которые обходятся очень дорого.
Ситуация с буровым долотом ещё хуже. Буровое долото с глубоким зазором одновременно подвергается ударам, вращению и абразивной промывке воздухом. Твердосплавные элементы должны быть достаточно прочными, чтобы противостоять разрушению под воздействием высокой энергии одиночного удара, и достаточно твердыми, чтобы противостоять абразивному износу от бурового шлама, проносящегося мимо с высокой скоростью. Это противоречивый набор требований, и именно поэтому качественные буровые долота с глубоким зазором стоят дорого, а дешевые выходят из строя с катастрофическими последствиями.
Главный вывод
Ударно-роторное бурение — это стандартный метод бурения твердых пород, и так было на протяжении десятилетий. Физические принципы с 1970-х годов практически не изменились — улучшились лишь металлургические характеристики, точность изготовления и надежность молотков. Выбор между гидравлическим и пневматическим, высокочастотным и низкочастотным бурением зависит от диаметра скважины, типа породы и от того, беретесь ли вы за отбор керна или просто бурите скважину.
Знайте, какой класс молотка вы используете, подбирайте сверла в соответствии с частотным диапазоном и обслуживайте молоток как высокоточный инструмент. Следуйте этим рекомендациям, и работа с твердыми породами перестанет быть проблемой и станет просто обычной работой.
