В зависимости от кинематики рабочего процесса гидроударники делятся на четыре группы: машины прямого, двойного, обратного и непосредственного силового действия. Наибольшее применение получили гидроударные машины прямого действия, работающие по следующей схеме.

Промывочная жидкость перемещает поршень-ударник с прижатым к нему клапаном вниз, сжимая возвратные пружины. Дойдя до ограничительной втулки, клапан остановится и откроется, а поршень-ударник, продолжая движение по инерции, нанесет-удар по наковальне, которая через переходник связана с колонковым набором. Во время отрыва клапана от поршня жидкость проходит через клапан последнего в колонковую трубу, омывает забой и выносит на поверхность частицы разрушаемой породы. После удара поршень отскочит от наковальни и под действием пружины вернется в первоначальное положение. Клапан опять закроет отверстие поршня, и цикл будет повторяться.

Рис. 1. Схема работы гидроударника прямого действия

По частоте ударов поршня-ударника о наковальню гидроударники разделяются на среднеча-стотные (Г7, Г9), работающие при 1200 уд/мин (20 Гц), и высокочастотные (ГВ5, ГВ6), работающие при 2500—3600 уд/мин (42—60 Гц).

Гидроударники Г7 и Г9 выпускаются в виде комплексов КТСГ-7 и КТСГ-9, включающих в себя комплекты твердосплавных коронок, кернорвателей, шнековых ловушек для ловли осколков твердого сплава на забое скважины, специальных долот к ловушкам и колонковых труб. В комплекс входит также эжектор, используемый для повышения выхода керна при бурении в трещиноватых и разрушенных породах. Эжектор устанавливается между гидроударником и колонковым набором.

В настоящее время выпускаются унифицированные гидроударные машины Г76 и Г59, позволяющие в зависимости от геолого-технических условий бурения работать в среднечастотном, т. е. ударном (шифр «У»), и высокочастотном (шифр «В») режимах. Эти машины заменяют гидроударники Г7 и Г9, а также снятые с производства ГВ5 и ГВ6.

Гидроударные машины Г59 и Г76 соединяются с бурильной колонной переходником с твердосплавными вставками. В патрубке на пружине установлен клапан. Нижняя часть пружины помещена в ограничителе, опирающемся на регулировочные кольца. Цилиндр, в котором установлена манжета, через корпус соединен со шлицевым стаканом.

Поршень, помещенный в цилиндре, с утяжелителем и насадкой образуют ударник, установленный на пружину, нижний конец которой через шайбу и уплотняющее резиновое кольцо опирается на шлицевой шток. Шлицевой шток, помещенный в шлицевом стакане и соединенный с насадкой и нижним переходником, служит наковальней.

Когда гидроударник находится в подвешенном положении (спуск в скважину), шлицевой разъем раскрывается. При этом наковальня и ударник опущены. Поршень открывается от клапана. Промывочная жидкость через каналы во втулке клапана, поршне, утяжелителе, насадках, шлицевом штоке и переходнике свободно проходит в колонковый набор и далее на забой.

При постановке снаряда на забой шлицевой шток поднимается вместе с насадками, пружиной, утяжелителем и поршнем.

Рис. 2. Унифицированная гидроударная машина Г59 (Г76)

Клапан перекрывает канал поршня. Возникает гидравлический удар, в результате чего ударник вместе с клапаном с нарастающей скоростью перемещается вниз, сжимая пружины. Дойдя до ограничителя, клапан остановится, а ударник по инерции продолжает движение и наносит удар по наковальне. После отрыва поршня от клапана жидкость свободно пройдет к забою, а давление в камере над клапаном упадет, и под действием пружин клапан и ударник возвратятся в исходное положение.

При встрече клапана с поршнем создается гидравлический удар, и цикл повторяется.

Частота колебаний и энергия ударника изменяются регулировкой хода клапана шайбами, натяга пружин кольцами и шайбами, а также расхода промывочной жидкости.

В качестве породоразрушающих инструментов при бурении гидроударниками Г7, Г9, Г76У, Г59У используются кольцевые коронки типа КГ и ГПИ, армированные крупными резцами из твердого сплава ВК-15, а также колонковое^ шарошечное долото 4ДГК-П5К Для бескернового бурения применяются специальные лопастные и шарошечные долота.

Первое время после спуска снаряда в скважину бурить среднечастотными гидроударниками следует при минимально возможной частоте вращения и осевой нагрузке, не превышающей 2—3 кН.

После приработки породоразрушающего инструмента параметры режима бурения подбираются соответственно физико-механическим свойствам пород в следующих пределах:
а) осевая нагрузка от 3—4 кН в наиболее твердых породах IX—X категорий до 8—10 кН в породах VI—VIII категорий буримости;
б) частота вращения снаряда от 0,5—0,7 с-1 в наиболее твердых породах до 1,7—2,5 с-1 в породах VI—VII категорий бу-римости;
в) расход промывочной жидкости, учитывая возможные потери в соединениях бурильной колонны, (2,5—3) • 10~3 м3/с.

Рис. 3. Породоразрушающий инструмент для гидроударного бурения:
а — коронка КГ-1; б — коронка КГ-2; в — коронка КГ-4; г — коронка КГ-5; д — коронка КГ-3; е — коронка ГПИ48М; ж — долото Д4М; 1 — корпус; 2,3 — резцы; 4, 5 — прокладки

Для работы высокочастотными гидроударниками в породах IV—VII категорий буримости применяются стандартные коронки типа СА.

В зависимости от диаметра и типа коронки осевая нагрузка при бурении должна быть в пределах 8—18 кН, рациональная

частота вращения снаряда 5—7,5 с-1, расход промывочной жидкости (2—3,3) • 10-3 м3/с в соответствии с типом используемого гидроударника.

Применение высокочастотных гидроударников при правильно подобранных параметрах режима бурения дает увеличение механической скорости проходки в 1,3—2,3 раза, углубления за рейс в 1,5—2,5 раза, сменной производительности в 1,2—2 раза по сравнению с вращательным бурением теми же коронками.

Практический опыт показал, что применение высокочастотных гидроударников с однослойными (в породах VIII—IX) и импрегнированными (в породах X—XII категорий буримости) алмазными коронками позволяет повысить механическую скорость проходки до 50—70% и углубление на коронку — до 40— 50% по сравнению с обычным вращательным бурением алмазами. Кроме того, существенно повышается выход керна в трещиноватых породах и снижается интенсивность искривления скважин.

Снаряд при бурении алмазами ударно-вращательным способом собирают из коронки, кернорвателя, колонковой трубы длиной 5—8 м с удлиненной резьбой, износостойкого переходника с колонковой трубы на гидроударник, гидроударника, переходника, колонны бурильных труб муфтово-замкового соединения. При бурении сильнотрещиноватых пород одинарный колонковый набор заменяется эжекторным или двойным колонковым снарядом.

Начинают бурение с приработки коронки в течение 3—5 мин при частоте вращения снаряда 1,7—3,3 с-1, осевой нагрузке 2000—3000 Н и подаче промывочной жидкости (0,5—0,7) X ХЮ~3 м3/с. Затем в зависимости от пластичности и твердости пород снаряду дают оптимальную частоту вращения (в соответствии с диаметром коронки): 3,8—7,5 с-1 в породах XI—XII категорий буримости, 7,5—10,5 с-1 в породах IX—X категорий, 10,5—12,3 с-1 — в породах VIII категории буримости. Осевую нагрузку с 4—5 кН в начале рейса постепенно увеличивают и к концу рейса доводят до 15—20 кН. В качестве промывочной жидкости рекомендуется применять эмульсионные растворы. Количество промывочной жидкости от начала к концу рейса увеличивают, доводя до (2—3) • Ю-3 м3/с.

Для обеспечения подачи на алмазную коронку диаметром 76 или 93 мм рационального расхода промывочной жидкости между гидроударником и колонковым набором следует устанавливать делитель потока промывочной жидкости ДП73.

Пневмоударники успешно применяют при бурении разведочных скважин с поверхности, подземном бурении, проходке взрывных и другого назначения скважин в породах VII—XII категорий буримости. Наиболее целесообразно использование пневмоударников для бурения твердых необводненных пород, толщ многолетней мерзлоты, в высокогорных и пустынных районах, а также в условиях поглощения промывочной жидкости.

Для бурения геологоразведочных скважин в настоящее время применяются пневмоударники РП-130М, РП-111, РП-94.

Для бурения геологоразведочных скважин пневмоударни-ками с одинарными колонковыми трубами используются кольцевые коронки типа КП, а с двойными колонковыми трубами — типа КДП. Для бескернового бурения применяются долота типа КПС. Диаметр коронок и долот, использующихся при разведке коренных месторождений твердых полезных ископаемых: 96, 113, 132, 151 мм, а диаметр коронок для разведки россыпных месторождений 161, 184, 216 мм. Армируют породоразрушающий инструмент цилиндрическими вставками твердого сплава марки ВК-15 с клиновидной рабочей частью.

Срыв и удержание керна при бурении кольцевой коронкой осуществляются кернорвателем.

Прежде чем начинать бурение спущенный в скважину снаряд приподнимают над забоем на 10—15 см и производят продувку до прекращения выноса на поверхность шлама или выброса находящейся в скважине воды. После этого снаряд с вращением опускают на забой и ведут бурение на параметрах технологического режима, соответствующих физико-механическим свойствам породы. Частота вращения снаряда в плотных породах VII категории буримости принимается 1,3—2 с-1, а в твердых (наивысших категорий), трещиноватых или абразивных породах снижается до 0,3—0,5 с-1. Осевая нагрузка принимается 200—300 Н на 1 см диаметра породоразрушающего инструмента. При бурении разрушенных, трещиноватых пород удельную нагрузку снижают до 100 Н/см.

В процессе бурения крупные частицы шлама не выносятся на поверхность. Для их улавливания рекомендуется в буровой снаряд включать шламовую трубу.

При бурении поисково-съемочных, картировочных и разведочных скважин глубиной до 100 м в породах II—IV категорий буримости с пропластками пород до VI—VII категорий применяется комплекс технических средств К.ГК-Ю0, позволяющий непрерывно транспортировать керн на поверхность потоком промывочной жидкости.

Примечание. Комплекс КГКгЗОО отличается от комплекса КГК-100 только бурильной колонной, состоящей из легкосплавных двойных бурильных труб ТБДС-75 (наружный диаметр 75 мм).

В состав комплекса входят самоходная гидрофицированная буровая установка УРБ-2А-2ГК. с подвижным вращателем и насосом НБ4-320/63, емкость вместимостью 2,5 м3 для промывочной жидкости и керноприемное устройство, установленные на двухосном прицепе, двойная бурильная колонна, буровой сальник, принадлежности для СПО, твердосплавные коронки.

ными в виде конуса и сферы. Внутренние трубы имеют возможность осевого перемещения относительно наружных на 35 мм. При свинчивании наружных труб в колонну внутренние трубы сопрягаются между собой по торцовым поверхностям штуцеров и поджимаются подпружиненной внутренней трубой бурового сальника, обеспечивающей герметичность соединений.

Конструкция бурового сальника обеспечивает передачу на снаряд крутящего момента и осевой нагрузки, а также подачу промывочной жидкости в кольцевой зазор двойной колонны бурильных труб и отвод выходящего потока жидкости с керном и шламом из центрального канала колонны в керноприемное устройство.

В систему промывки включен вентиль, позволяющий направить промывочную жидкость или в центральный канал, или в межтрубное пространство двойной колонны бурильных труб, а также регулировать интенсивность промывки путем слива части жидкости в емкость через рукав.

Бурение с выносом керна ведут с периодическим расхажива-нием снаряда. Бурение скважин выполняется без обсадки. Стенки скважин сохраняют устойчивость, так как не подвергаются эрозионному воздействию потока жидкости.

В процессе бурения промывочная жидкость закачивается насосом из передвижной емкости через нагнетательный шланг и сальник в кольцевое пространство двойной бурильной колонны. Не доходя до забоя скважины, промывочная жидкость захватывает керн и шлам и по внутреннему каналу бурильной колонны, внутренней трубке сальника, керноотводящей дуге и шлангу поступает в лотки керноприемника.

Применение непрерывного транспортирования выбуренного материала позволяет бурить скважину без извлечения из нее снаряда до полного износа породоразрушающего инструмента, что сокращает время проведения СПО. В результате значительно повышается производительность бурения. Выход керна при этом, как правило, составляет 100%.

Работа комплексом КГК-ЮО предусмотрена твердосплавными коронками диаметром 76; 84 и 93 мм. Коронки диаметром 76 мм применяются для бурения однородных пород, диаметром 84 мм — вспучивающихся и неустойчивых пород, диаметром 93 мм — мощных толщ сыпучих отложений и плывунов. Коронки имеют три сектора, вооруженные восьмигранными резцами из сплава ВК-8, и шламоотводящие каналы криволинейной формы, направление которых при вращении снаряда обеспечивает перемещение шлама от периферии коронки к ее центру. При бурении пород II—V категорий с пропластками более твердых пород используются коронки В9-82, армированные природ-

При бурении поисково-съемочных, картировочных и разведочных скважин глубиной до 100 м в породах II—IV категорий буримости с пропластками пород до VI—VII категорий применяется комплекс технических средств К.ГК.-Ю0, позволяющий непрерывно транспортировать керн на поверхность потоком промывочной жидкости.

Ниже приведена техническая характеристика КГК-100.

ными в виде конуса и сферы. Внутренние трубы имеют возможность осевого перемещения относительно наружных на 35 мм. При свинчивании наружных труб в колонну внутренние трубы сопрягаются между собой по торцовым поверхностям штуцеров и поджимаются подпружиненной внутренней трубой бурового сальника, обеспечивающей герметичность соединений.

Конструкция бурового сальника обеспечивает передачу на снаряд крутящего момента и осевой нагрузки, а также подачу промывочной жидкости в кольцевой зазор двойной колонны бурильных труб и отвод выходящего потока жидкости с керном и шламом из центрального канала колонны в керноприемное устройство.

В систему промывки включен вентиль, позволяющий направить промывочную жидкость или в центральный канал, или в межтрубное пространство двойной колонны бурильных труб, а также регулировать интенсивность промывки путем слива части жидкости в емкость через рукав.

Бурение с выносом керна ведут с периодическим расхаживанием снаряда. Бурение скважин выполняется без обсадки. Стенки скважин сохраняют устойчивость, так как не подвергаются эрозионному воздействию потока жидкости.

В настоящее время в производство внедряется комплекс технических средств КГК-300, предназначенный для бурения с гидротранспортом керна скважин глубиной до 300 м.

—

Производительность твердосплавного и алмазного бурения значительно повышается при одновременном воздействии на породоразрушающий инструмент осевого усилия, крутящего момента и ударных импульсов, создаваемых специальными забойными машинами, которые приводятся в действие энергией потока промывочной жидкости (гидроударника) или сжатого воздуха (пневмоударники).

Гидроударники применяются для бурения пород V—XII категорий по буримости. Гидроударник включается в снаряд между колонной бурильных труб и колонковым набором. С поверхности через бурильные трубы передается вращение и промывочная жидкость. От бурового станка через колонну бурильных труб снаряд приводится во вращение с частотой от 20—30 до 100—150 об/мин. На породоразрушающий инструмент создается постоянная нагрузка, соответствующая физико-механиче-ским свойствам бурильных пород.

По принципу работы гидроударники делятся на три группы: машины прямого, двойного и обратного действия.

Наибольшее распространение имеют гидроударные машины прямого действия: Г-7, Г-9, ГВ-5, ГВ-6.

В гидроударниках прямого действия поршень-ударник перемещается вниз и наносит удар по наковальне под действием промывочной жидкости, а в первоначальное положение возвращается под действием пружины сжатия. В высокочастотном гидроударнике прямого действия (ГВ-5) жидкость распределяется плавающим клапаном. Частота ударов поршня-ударника о наковальню достигает 25—67 удар/с.

Для повышения выхода керна при бурении размываемых пород в комплект гидроударных машин включается эжектор.

Срыв и удержание керна осуществляются кернорвателем, вмонтированным в нижнюю часть колонковой трубы.

При гидроударном бурении применяются коронки, армированные четырьмя или шестью крупными резцами из твердого сплава, устойчивого к ударным нагрузкам.

Обычно при гидроударном бурении применяют станки серии ЗИФ и буровые насосы 11-ГрБ, 11-ГрИ, НБ-320/63, Гр-16/40 И др.

Производительность гидроударного бурения твердыми сплавами превышает производительность вращательного бурения алмазами в ряде случаев в 1,5 раза.

Практический опыт показал целесообразность применения алмазного бурения в породах высоких категорий буримости с использованием высокочастотных гидроударников ГВ-5 и ГВ-6.

Снаряд при алмазном бурении ударно-вращательным способом состоит из алмазной однослойной коронки (01АЗ или 01А4), кернорвателя, колонковой трубы длиной 5—8 м с удлиненной резьбой, износостойкого переходника с колонковой трубы на гидроударник, гидроударника, износостойкого переходника, колонны бурильных труб муфтово-замкового соединения.

При бурении сильнотрещиноватых пород одинаковый колонковый набор заменяется эжекторным или двойным колонковым снарядом с целью повышения выхода керна.

Пневмоударники успешно применяют при бурении разведочных скважин с поверхности, при бурении из подземных выработок, при проходке взрывных и другого назначения скважин в породах VII—XII категорий по буримости. Наиболее целесообразно применение пневмоударников для бурения твердых не-обводненных пород, толщ многолетней мерзлоты, в высокогорных и пустынных районах, а также в условиях поглощения промывочной жидкости.

Для бурения геологоразведочных скважин в настоящее время используются пневмоударники РП-130, РП-111, РП-94 коронки типа КП, а с двойными колонковыми трубами — типа КДП. Для бескернового бурения применяются долота типа КПС. Диаметры коронок и долот 153, 132, 113 и 96 мм. Армируют породоразрушающий инструмент цилиндрическими вставками твердого сплава марки ВК-15 с клиновидной (симметричной или асимметричной) рабочей частью.

Для смягчения ударных импульсов, доходящих при небольших глубинах скважины до бурового станка, над пневмоударником устанавливается упругая муфта. Число ударов в минуту от 1000 до 2000. Основная часть энергии сжатого воздуха погружных пневмоударников расходуется на привод ударного механизма. Оставшаяся часть идет на продувку забоя скважины.

При использовании пневмоударников производительность увеличивается в 6—8 раз по сравнению с дробовым бурением и в 2—3 раза по сравнению с алмазным.