УДАРНО-ВРАЩАТЕЛЬНОЕ БУРЕНИЕ СКВАЖИН

Ручное бурение скважин на во­ду как промышленный способ применялось еще сравнительно недавно. Да и теперь оно возмож-но в тех местах, куда трудно до­ставить буровую технику. Руч­ным ударно-вращательным буре­нием, используя только мускуль­ную силу человека, проходят скважины наибольшим диамет­ром 200 — 250 мм и глубиной до 70 м, а в отдельных случаях — и до 100 м. Проходку скважины ударно-вращательным бурением ведут вращением различных бу­ров, а в твердых и сыпуче-плывучих породах — долблением специальными долотами и стака­нами. Эти буровые инструменты подсоединяют к стержням — бу­ровым штангам, которые соответ­ственно вращают руками или по­переменно поднимают и сбрасы­вают в забой. Отсюда и название способа проходки «ручное удар­но-вращательное бурение».

Рис. 20. Ложковые буры: а — с ковшеобразным резцом; б — с от­гибами и сверлом

Для проходки пластичных по­род (глины и смеси глин с пес­ками) наиболее приспособленным инструментом являются ложковые буры (ложки). Ложка — это полуцилиндр, свернутый из ли­стовой стали, например Ст. 3, с левой отогнутой режущей кром­кой (если смотреть сверху). По­рода в полости полуцилиндра удерживается сжатием и прили­панием,- поэтому продольная щель между кромками для более сыпучих пород должна быть бо­лее узкой. Ложка забирает поро­ду верти реальной и нижней режу­щими кромками. Нижнюю часть ложки устраивают по-разному. Для самодельного исполнения на­иболее доступны следующие ва­рианты (рис. 20): низ ложки вы­полнен ковшеобразным резцом; низ ложки с левой стороны сде­лан в виде резца, а с правой — в виде поперечного выступа, при­чем между утими отгибами мож­но пропустить сверло по металлу и приварить его к телу ложки. И то и другое несложно выпол­нить, если есть возможность на­греть металл до пластичного со­стояния. Ложку можно также сделать из трубы подходящего диаметра и использовать ее даже без термического упрочнения ре­жущих кромок. Существенной особенностью ложковых буров является то, что их корытообраз­ный корпус обычно смещают на некоторое расстояние от осп вра­щения. Так, у бура со сверлом ось нижнего сверла и ось враще­ния штанги должны совпадать, а ось тела ложки следует сместить на расстояние е (эксцентриси­тет), равное 10 — 15 мм. Такой ложковый бур, вращаясь в сква­жине, своей продольной режущей кромкой будет вырабатывать в породе скважину большего диа­метра но сравнению с диаметром ложки. Подобное уширепие сква­жины необходимо для прохода обсадных труб, внутренний диа­метр которых в большинстве слу­чаев приходится брать больше наружного диаметра ложки. Объ­ясняется это тем, что при опасно­сти обвалов стенок скважины бурение и закрепление скважины обсадной трубой ведут одновре­менно, и ложка должна при этом проходить в обсадную трубу.

Порода, которую ложка забира­ет в забое скважины, извлекается на поверхность вместе с инстру­ментом. За одну забурку ложком обычно углубляют скважину иа 30 — 40 см.

Иногда самодельный буровой инструмент делают в виде про­стого бурава — стального диска с вырезанным узким сектором и отогнутыми кромками. Конечно, можно что-то сделать и таким бу­ром в пластичных и обваливающихся породах. Однако он очень легко уходит в сторону, вызывая часто недопустимое искривление ствола скважины. Если еще с этим как-то можно бороться уста­новкой выше бура центрирующе­го пояска, то об устройстве сква­жины для обсадной трубы в данном случае не может быть и речи.

Для бурения плотных глин и суглинков применяют змесвико-вый бур (змеевик), напоминаю­щий бурав по дереву (рис. 21). Нижнее режущее лезвие змееви­ка имеет форму ласточкина хво­ста и должно закаливаться. Зме­евик действует подобно штопору: вращаясь, он ввинчивается в по­роду. Прп подъеме бура порода удерживается на его винтовых лопастях. Змеевик во время рабо­ты приподнимают иа несколько сантиметров через каждые 1,5 — 2 оборота буровых гатанг для от­рыва от основного массива поро­ды. В противном случае усилие подъема будет очень велико и штанги можно порвать.

Рис. 21. Змеевиковый бур

Изготовить самому такой змеевик трудно, поэтому в самодея­тельном бурении вместо него с успехом используют отрезки вин­товых шнеков от сельхозмашин. Для этого берут часть шпека с 6 — 4 витками, снизу приваривают сверло по металлу (или просто конический штырь) для центри­рования-бура в забое, а сверху — отрезок трубы для соединения со штангами. Хорошие результаты получают, приспосабливая для бурения плотных глин и суглин­ков рыболовные ледовые буры.

Для проходки твердых пород и валунно-галечниковых отложе-ний служит буровые долота. При необходимости их также делают эксцентричными по отношению к осп шейки, чтобы вырабатывать уширенную скважппу, доступную для прохода обсадной трубы. До­лота изготавливают пз закалива­ющихся сталей УЮ, 45, 65Г, 40ХН и др.) и закалывают до твердости зубила на высоту ге более 25 мм. В зависимости от крепости проходимых пород лез­вие долот должно иметь различ­ный угол заострения. Для про­ходки относительно мягких по­род угол заострения (двугранный угол) — 70 — 80°, для твердых по­род и валупно-гллечппковых от-ложепнй — 110 — 130°.

Долота имеют разную форму применительно к различным по бурпмости породам (рис. 22). Су­ре ни о но очень твердых пород ве­дут зубильным (плоским доло­том), более твердых — двутавро­вым и с Z-обрлзпым лезвием. Для бурения твердых трещинова­тых пород служит крестовое до­лото, у которого два лезвия пере­секаются под прямым углом, — это препятствует его заклинива­нию в трещине. Скругляющее до­лото применяют также для про­ходки твердых пород, оно обеспе­чивает более правильную округ­лость скважины и дает хорошие результаты при проходке трещи­новатых пород и валуипо-галеч-пиковых отложений. Эксцентрич­ное долото разрабатывает сква­жины большего диаметра, чем размер лезвпя. Для раздробления небольших валунов или отодвига­ния их в сторону в забое приме­няют долото в форме клипа — пирамидальное долото.

Сделать самому в домашних ус­ловиях долота классической фор­мы, представленные на рис. 22, чрезвычайно сложно. Изготовля­ют их ковкой в штампах из цель­ной заготовки, сварка категориче­ски запрещается, так как при сварке закаливающихся сталей шов в обычных условиях получа­ется хрупким. Для изготовления таких долот необходимы: кузнечно-прессовое тяжелое оборудование, закрытые печи с восстанови­тельной атмосферой, специаль­ная технологическая оснастка и т. п. Кузнецы, работающие в настоящее время вручную еще в некоторых ремонтных мастер­ских, неспособны сделать такие долота из-за невозможности про­греть массивную заготовку в от­крытом горне и невозможности удержать ее раскаленную в кле­щах из-за большой массы. Напри­мер, наименьшее плоское долото с длиной лезвия 148 мм имеет массу 42 кг. Поэтому форму до­лот надо воспринимать как «ин­формацию к размышлению» при конструировании самодельных аналогов.

Итак, возникает проблема. Ре­шить ее можно следующим обра­зом: либо фрезеровать долото из цельпой заготовки (такую воз­можность имеет далеко не каж­дый); либо все же попытаться сварить долото из мягкой стали (имея в виду его непродолжи­тельную работу) с твердосплав­ной наплавкой режущих кромок, либо сделать долото составным, то есть корпус сварить пз мягкой стали, а режущую часть набрать из таких стальных зубильных лезвий, которые кузнец смог бы прогреть, вручную отковать о за­калить.

На рис. 23 показаны составные долота, способные разрабатывать скважину диаметром 250 мм.Все долота сделаны в основном свои­ми руками, опробованы на прак­тике (поработали они основатель­но), показав хорошие резуль­таты.

Рис. 22. Буровые долота: 1 — зу­бильное (плоское); 2 — двутавровое; 3 — крестовое; 4 — скругляющее; 5 — эксцентричное; 6 — пирами­дальное

Корпус долота (а) вырезала кислородным резаком из сталь­ной пластины толщиной 40 мм. Механической обработке его ве подвергали, кроме незначитель­ной зачистки на наждаке. К кор­пусу сверху приварена электро­сваркой шейка для соединения со штангами. Снизу просверлены 4 глухих отверстия диаметром 20 мм для вставных зубильных лезвий и 4 сквозных боковых от­верстия диаметром 12 мм для ци­линдрических клиньев, закрепля­ющих зубильные лезвпя (диало­гичными цилиндрическими клп-пьямп закрепляются, например, шатуны у велосипеда). Зубиль­ные лезвпя были откованы куз­нецом из заготовок (инструмен­тальная сталь УЮ), предвари­тельно выточенных на токарном станке. После ковки в закалки зубильные лезвия были заточены, на хвостовиках напильником сде­ланы лыски. Затем лезвия закре­пили в отверстиях цилиндриче­скими клиньями, нарезанными из стального прутка диаметром 12 мм. Клиновые лыски на этих деталях также сделали наппльпи-ком. Вставные зубильные лезвия можно отковать не из точеных заготовок, а, к примеру, из изно­шенных пальцев тракторных гу­сениц. Смонтировать зубильные лезвия в корпусе также можно по-разному — в линию, кресто­образно, змейкой и др., прибли­зив форму долот к вышеописан­ным классическим образцам. Все это, попятно, легко сделать в од­ном корпусе, меняя только зу­бильные лезвия.

Рис. 23. Составные самодельные долота: 1 — клин; 2 — вставное лезвие; 3 — заклепка

Лезвия долота (б) изготовили из куска листовой рессоры, кото­рую обрезали кислородным резаком в размер, отпустили, про­сверлили отверстия и установили на заклепках в корпус, подготов­ленный сваркой из нарубленных стальных пластин. Клепка горя-пая.

Для долота (в) в качестве лез­вий использовали обрезки отлич­ной стали от гильотинных нож­ниц для рубки листового метал­ла. Толщина обрезков 36 мм, поэтому вставные долота получи­лись очень «мощными» и показа­ли хорошие результаты при про­ходке валуниогалечниковых от­ложений. Форма этого долота в какой-то мере воспроизводит классическое скругляющее до­лото.

Как видим, во всех случаях со­единение лезвий, сделанных из закаливающихся сталей, с кор­пусом из стали, не способной к закалке, выполнено клиньями, за­клепками, болтами, по только не сваркой, которая бы дала хруп­кий шов.

Конечно, у самодельных состав­ных долот, да еще изготовленных с применением сварки, ресурс ра­боты и производительность будут меньше, но уж тут, как говорит­ся, не до жиру... Тем более что задача самодеятельного буриль­щика сделать только одну свою скважину, а для этого составного долота должно хватить. Но вся­ком случае, в практике автора вставные лезвия тупились, но по­ломок не было. Кстати, по ста­рым инструкциям при каждом поднятии долота из забоя на по­верхность его нужно тщательно осматривать, своевременно произ­водить заточку и т. д.

Заметим, что если в породе много валунов, может оказаться легче поднять их на поверхность, чем дробить в забое. На отот счет самодеятельными бурильщи­ками придумано псмало хитро­умных устройств: различные «па­уки», вилки с тремя-четырьмя стальными зубьями и др. Автор при глубине до 10 м применял сачок — овальный стальной пруток с мешком (пруток приварен к штанге) и «гарпун» — заост­ренный стальной стерженьке при­варенной на конце под углом острой пластинкой. Вылавливали валуны так: «гарпуном» валун выворачивали из окружающего плотного суглинка, предваритель­но размоченного водой, и закаты­вали в сачок.

Для бурения пород рыхлых, сыпучих, обломочных (пески, гравий, галечник, ил), пород, на­полпепиых водой, а также для чистки скважины после работы долотом применяют инструмент, называемый желонкой. Послед­няя представляет собой отрезок трубы длиной 2 — 3 м, иногда до 4 м, снабженной внизу башмаком с клапаном, а вверху — устрой­ством для соединения со штанга­ми (рпс. 24). Клапан обычно де­лается плоским из стальной пла­стины с уплотнением резиной, ко­жей или без него. В желонках небольшого диаметра применяют шариковый клапан. При сбрасы­вании в забой башмак желонки врезается в породу, которая при­поднимает клапан и входит в трубу. Когда желонку поднима­ют, клапан закрывается и удер­живает избранную породу. После заполнения породой желонку из­влекают на поверхность и очища­ют, поворачивая ее для этого вверх клапаном с помощью спе­циального устройства, позволяю­щего по отсоединять желонку от штанги. Бурильщику, который впервые «изобретает» желонку из случайных материалов, поре­комендуем не гнаться за произ­водительностью и сделать общую высоту желонки поменьше, ска­жем, около 1 м, и с боковым ок­ном (рис. 25), чтобы можно бы­ло рукой дотянуться до клапана. Через это окно можно ее и чи­стить не переворачивая. Косынки и конус в верхней части желон­ки предназначены для того, что­бы при подъеме не зацепить же-лопку за обсадную трубу.

В качестве буровых штанг для неглубокого бурения (до 25 м) вполне достаточными по прочно­сти являются газовые трубы внутренним диаметром 33 мм (применяют также трубы диамет­ром 42 и 48 мм). Длина труб от­дельных звеньев штапги — 5 м. Отбирая трубы для штанг, надо внимательно осмотреть сварные швы. Если швы плохо проваре­ны, то во время бурения при скручивающих нагрузках они легко расходятся.

Обычные водопроводные или газовые муфты для соединения штанг нежелательны из-за недо­статочных прочности и длины. Для соединения буровых штанг лучите изготовить специальные муфты Польшей, длины, бочкооб­разной формы и с гладкими кон­цевыми внутренними проточка­ми, в которые концы свинчивае­мых штанг должны плотно захо­дить своими пепарезанными ча­стями (рис. 26). Последнее дела­ется для того, чтобы уменьшить опасные изгибающие нагрузки в концевых сечениях штанг, ослабленных резьбой. Конечно, намно­го ускоряет процесс соединения-разъединения штанг коническая резьба. Однако сделать такую резьбу очень трудно, и если, что скорее всего, придется ограни­читься цилиндрической резьбой, то нарезать ее на штангах надо на токарном станке или клуппом с направляющей втулкой, чтобы избежать перекоса резьбы. Штан­ги с перекошенной резьбой при свинчивании будут располагаться во соосио, что чревато большими неприятностями, поскольку при­водит к вихлянию всей буровой колонны, особенно заметному при ее длине более 10 м.

Рис. 24. Желонки: а — с плоским клапаном: 6 — с шариковым клапа­ном; 1 — труба; 2 — отбивной штифт; 3 — клапан; 4 — ось; 5 — башмак; 6 — ограничитель

Рис. 25. Самодельная желонка: 1 — ударная штанга; 2 — окно; 3 — клапан; 4 — башмак

Рис. 26. Муфта

В самодеятельном бурении при­меняют и другие способы соеди­нения штанг: на фланцах, штиф­тами с помощью соединительных втулок или патрубков из труб меньшего диаметра. Однако оба эти способа не позволяют добить­ся надежного и соосного соедине­ния штанг вследствие небольших погрешностей в установке флан­цев на сварке и люфта во втул­ках. А устранить эти дефекты практически невозможно.

При подъеме и спуске штанг в скважину их развинчивают не по одному звену (колену), а по два или по три — «столбами», или «свечами». «Столбы» нельзя класть на землю, так как при подъеме с земли они гнутся. Их надо удерживать в вертикальном положении, прислонив к надеж­ной опоре. В старину, если буре­ние производилось без вышки, назначением одного рабочего в буровой команде было удержи­вать «столбы» руками в верти­кальном положении. Штанги в «свечах» можно соединять ци­линдрическими резьбами, а для соединения «свечей» между собой очень хорошо применить кониче­ские.

Когда нет подходящих труб, штанги можно сделать из дерева с металлическими наконечника­ми, соединяя их внахлестку на болтах. В старинных руководст­вах эта конструкция описана как вполне реальная. Дерево для штанг: тонкослойная ель, лист­венница, ясень, дуб. Деревянны­ми штангами бурили на неболь­шую глубину при диаметре сква­жины до 3 дюймов только удар­ным способом.

При свинчивании-развинчива­нии штанги висят в скважине на подкладной вилке, опираясь на нее муфтой, для этой же цели, а также для подъема и спуска штанг в скважину служит фарш-туль (рис. 27). Фарштуль состоит из серьги, надетой своими ушка­ми на цапфы массивной травер­сы с вырезом посредине для про­пуска рабочих штанг. Вырез за­крывается откидной щеколдой (собачкой, заградительной плап-кой или шпилькой). Штанга, за­веденная в фарштуль, садится муфтой на края выреза траверсы.

Вращательное движение штанг в скважине осуществляется с по­мощью накидного хомута, кото­рый может быть выполнен из де­рева и стягиваться шпильками.

Рис. 27. Принадлежности для штанг: а — подкладная вилка; б — фар­штуль; 1 — серьга; 2 — щеколда; 3 — траверса

В процессе ударно-вращатель­ного бурения, несмотря на все предосторожности, случаются не­поладки и аварии, приводящие к тому, что из скважины прихо­дится извлекать какие-то пред­меты. Для этого служит ловильный инструмент (рис. 28). Чаще всего приходится вытаскивать из скважины оторвавшиеся штанги. Разрыв гатанг происходит в пер­вую очередь потому, что в домашних условиях для штанг ча­сто используют случайные мате­риалы, а также из-за неопытно­сти бурильщика. Для вытаскива­ния оторвавшихся штанг приме­няют ловилытый винт, или мет­чик, представляющий собой стальной закаленный винт кони­ческой формы, нижний конец ко­торого свободно входит в отвер­стие штанг. Продольные канавки ловилыюго винта предназнача­ются для стружки, образующейся при прорезывании винтом степок штанги трубок.

Рис. 28. Ловильный ин­струмент: 1 — винт (мет­чик); 2 — колокол; 3 — штопор; 4 — «счастли­вый» крюк

В тех случаях, когда отверстие оторвавшейся части замято и ко­нец ловильного винта в него не входит, а также для вытаскива­ния оторвавшегося рабочего ин­струмента с шейкой из сплошно­го металла, используют ловильный колокол.

Аналогичные ловильные инст­рументы применяют и для обсад­ных труб.

Когда упущенная в скважину штанга имеет наверху муфту, для ее ловли применяют «счастли­вый» крюк, которым штангу под­хватывают под муфту.

Для того чтобы из скважины вытащить упавший мелкий пред­мет, необходим ловильный што­пор — спирально согнутая стальная пластина (полоса) с резьбо­вым хвостиком наверху. Штопор опускают в скважину на штан­гах, и при вращении он вместе с породой захватывает упавший предмет.

Для подъема тяжелой колонны штанг из глубоких шахт потре­буется ворот или лебедка, а так­же опора для верхнего блока. Обычно в этом случае устанавли­вают буровую вышку (рис. 29), которая представляет собой треногу высотой 4,5 — 5 м с канатным блоком наверху. Через блок долж­на быть пропущена крепкая ве­ревка или стальной трос, с по­мощью которых колонну штанге инструментом и разбуренной по­родой можно было бы вытащить лебедкой или воротом на поверх­ность.

Рис. 29. Буровая вышка

При ударном бурении, когда ин­струмент со штангами поднимают на 1 — 1,5 м и сбрасывают в за­бой, для облегчения труда приме­няют балансир (рычаг 1-го ро­да) — деревянный брус или креп­кую доску-шестидесятку. Чтобы долота разрабатывали круглую скважину, штанги с инструмен­том при каждом ударе поворачи­вают руками на некоторый угол. Поэтому к балансиру их подве­шивают через штанговый верт­люг (рис. 30). Солее совершен­ным устройством по сравнению с балансиром является специальная фрикционная лебедка, позволяю­щая осуществить удар в резуль­тате оттягивания каната.

Рис. 30. Вертлюг

Одним из серьезных моментов при ударно-вращательном буре­нии является заложение скважи­ны. Надо помнить, что вращатель­ное бурение ложковыми бурами всегда связано с опасностью скру­чивания штанг. И эта опасность тем больше, чем глубже скважи­на. Если нрп этом скважина за­ложена не отвесно, а под некото­рым углом, то к.напряжениям скручивания добавляются еще напряжения от изгиба буровой колонны. Кроме того, всякая на­клонная скважипа имеет тенден­цию с глубиной все более и бо­лее уходить от вертикали, что сильно затрудняет как само буре­ние, так и опускание (особенно!), а также подъем обсадных труб.

При наличии треноги заложе­ние скважины производят подвешенным инструментом, чем и до­стигается нужная вертикальность. Если треноги пет и штанги удер­живают руками, то для закладки скважины необходимы три чело­века: двое закручивают лож ковы ц бур, а третий следит за верти­кальностью штанги. Когда ложковый бур углубится в землю на половину его длины, его выни­мают, очищают и опускают вновь, подлив в скважину воды, чтобы степкп скважины не осыпались, а обмуровывались. Затем скважи­ну опять проверяют на верти­кальность и т. д. Если вертикаль­ность не получилась, скважину надо начать вновь.

Сухая порода плохо удержи­вается в ложковом бурс, поэтому надо в скважину подливать во­ду — она играет также и роль смазки. При длине ложки 750 мм скважипа при полном заполненип ложки разбуренной породой углубляется примерно на 350мм. Так как устье скважины в зем­ле сильно разрабатывается, то, пройдя буром нервые 3 — 4 м, сле­дует обсадить скважину одним или двумя звеньями обсадной трубы. Это первое крепление скважины обычно происходит без затруднений. Обсадная труба дол мен а иметь внизу режущий башмак (см. раздел «Обсадные трубы»), а вверху — патрубок, предохраняющий резьбу от заня­тия. В скважине обсадная труба должна висеть свободно на дере­вянном или стальном хомуте.

Крепление скважины обсадной трубой обусловлено следующими причинами. Пластичные породы, особенно глины, пройденные бу­ром, имеют тенденцию набухать под воздействием воды или вспу­чиваться в скважину от давления верхних пластов. В результате просвет скважины сужается и за­трудняет (пли даже делает не­возможным) спуск бурового ин­струмента. Когда же скважина прорезает неустойчивые породы (пески, гравий, гальку, рухляки и т. п.), она начинает засыпаться или заплывать этими породами. Неизбежным становится крепле­ние скважины и в том случае, когда приходится переходить к долблению твердых пород долота­ми. Разбуренная при этом твер­дая порода в виде бурильной гря­зи отбирается небольшими пор­циями желонкой; скорость про­ходки скважины подчас измеряет­ся сантиметрами в сутки.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: