Состояние и актуальность проблемы изыскания эффективных средств бурения скважин

1.  СОСТОЯНИЕ И АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ ИЗЫСКАНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ СРЕДСТВ БУРЕНИЯ СКВАЖИН

1.1. Состояние направления развития техники бурения взрывных скважин

Из трех применяемых на карьерах России основных способов бурения – шарошечного, вращательного резанием и ударно-вращательного – преобладает шарошечный способ, на долю которого приходится до 83 % всех объемов бурения.

Затраты на буровые работы составляют от 25 – 30 % (угольные разрезы) до 45 – 50 % (рудные карьеры) от затрат на горные работы. До перестроечного периода в СССР объем бурения взрывных скважин превышал 60 млн. м в год, Из них на угольных разрезах около 27 млн. м, в промышленности строительных материалов до 15 - 17 млн. м. В ближайшие годы объем бурения на карьерах России составит ориентировочно 40 - 45 млн. м, в том числе в угольной промышленности 15 - 18 млн. м, а на рудных и карьерах нерудных полезных ископаемых  до 25 млн. м. Расход шарошечных долот составит  80 -100 тысяч штук с годовыми затратами на них более 2,3  млрд. руб. При этом преобладает использование долот диаметром 244,5 мм, в меньшей степени 269,9 мм, 320 мм и 190 - 215,9 мм (уголь). Шарошечные долота (ШД) диаметром 146 – 161 мм и менее имеют низкую стойкость опор, но при конструктивных доработках перспективны в специальных целях, например, для бурения контурных скважин и обуривания приконтурных блоков при постановке уступов в конечное положение.

Создание и освоение отечественных станков типа СБШ сыграло огромную роль в развитии теории, техники и технологии бурения на карьерах. Эти станки, обладая в определенной степени признаками универсальности (по виду бурового инструмента и диаметру скважины) и способностью изменять в широком диапазоне режимные параметры, позволили испытать и применить ряд перспективных буровых инструментов режущего и комбинированного типов, при различных способах очистки скважин (пневматическом, шнековом и шнекопневматическом).

Накопленные опытные данные и теоретические разработки показали:

-  возможность значительного расширения области бурения режущими долотами скважин диаметром 160 - 270 мм на силовых режимах и при замене шнековой очистки пневматической и шнекопневматической;

- перспективность   комбинированных  буровых, инструментов:  режуще-шарошечных (РШИ), ударно-шарошечных (УШИ), режуще-ударньгх (РУИ) и др.;

- необходимость пересмотра рациональных границ использования различных способов и средств бурения с учетом изменений в экономике горной    промышленности,     конструкциях    и     качестве     буровых инструментов    и    станков,     появления    новых    твердых    сплавов, конструкционных материалов, средств электроники и т.д.;

-   условность деления буровых станков по способу бурения на СБР, СБУ и СБШ и целесообразность их классификации прежде всего по технологическому назначению при строго обоснованной типизации условий применения.

При выборе базовых моделей буровых станков и их модификаций необходимо учесть ряд изменений в технологии и горно-геологических и экономических условиях ведения горных работ (и технологических требований):

1.   Четкая   тенденция   к   увеличению   диаметра   взрывных   скважин, объясняемая    стремлением    использовать    на    карьерах    простые гранулированные   и   комбинированные   (смесь   эмульсионных   и гранулированных)   ВВ,   как   наиболее  дешевые   и   позволяющие полностью механизировать процесс их приготовления и заряжания ими скважин. Необходимый уровень работоспособности зарядов таких ВВ (скорость детонации, удельная концентрация энергии и др.) достигается увеличением диаметра скважин.

2. Рост числа глубоких карьеров (Н > 150 - 300 м) и в связи с этим увеличение крепости горных пород и вероятный рост потребности в мобильных буровых станках с диаметром бурения скважин 200 - 220 мм из-за стесненных условий и сейсмических ограничений.

3. Вероятный рост объемов бурения глубоких (до 35 - 40 м) наклонных скважин в связи с расширенным освоением кранлайнов и другой экскавационной техники, позволяющей разрабатывать карьеры высокими уступами.

4. Увеличение объемов бурения на угольных разрезах режущими, дисковыми и комбинированными долотами на повышенных скоростях подачи в связи с намеченным ростом добычи угля от 260 - 280 млн. т. в 2005 г. до 450 - 500 млн. т. в 2020 г. преимущественно открытым способом на Востоке страны.

Основные   принципы   построения   типоразмерного   ряда   карьерных буровых станков [2], заложенные в исследованиях институтов ИПКОН, ИГД им. Скочинского,  НИИОГР,  МГГУ,  ИГД  УрО  РАН  и  др.,  по-видимому,  не претерпят значительных изменений.  Оптимизации по критерию стоимости бурения подлежат диапазоны изменения диаметра бурения на базовых моделях. При этом одним из основных факторов, определяющих стоимость бурового станка той или иной модификации, остается его масса, зависящая не только от диаметра бурения, но и от типа бурового инструмента (рис.1.1) и способа очистки скважин.

Учитывая вышеизложенное, один из возможных ориентировочных вариантов типизации условий бурения и формирования типоразмерного ряда буровых станков на модульном принципе их построения представлен в табл. 1.1. Наряду со специализированными станками предусматривается расширенный ряд комбинированных модификаций станков, позволяющих применять различные буровые инструменты, т.е. реализовать все способы механического бурения и два способа очистки скважин - пневматический и шнекопневматический.

Рис. 1.1. Изменение массы буровых станков  G  и проектируемых максимальных осевых нагрузок Р на долото в зависимости от диаметра скважин  d и типа долота: ШД – шарошечные долота,

РД – долота режущего типа

         Кроме основных модификаций нужны станки специального типа для проходки контурных скважин, наклонного бурения высоких уступов при сейсмических ограничениях, а также скважин с большим расширением их нижней части. Дискуссионным являются два вопроса: о целесообразности сохранения узкоспециализированного шнекового бурового станка СБР-160 и  диапазоне изменения диаметра бурения на комбинированных модификациях станков.

               Проектирование и создание буровых станков по модульному принципу (различные модификации на основе базовых моделей) широко распространены на зарубежных фирмах развитых стран.

Таблица 1.1

Ориентировочная типизация условий бурения для основных модификаций буровых станков