Классификация буровых машин и виды бурения

Буровые машины, применяемые при разработке месторождений полезных ископаемых, разделяются по следующим признакам:
- способам разрушения горной породы;
- способам приложения силовых нагрузок к разрушающему инструменту;
- способу удаления продуктов разрушения из забоя скважины и шпуров;
- роду потребляемой энергии;
- способу расположения скважин в пространстве.
По способам разрушения горных пород различают:
1. Механические — когда разрушающий инструмент в виде коронки или долота входит в силовое соприкосновение с породой, при котором в ней возникают высокие напряжения, превышающие предел прочности породы.
2. Физические - когда на породу воздействуют физическими или вещественными полями в форме электрического, магнитного (электромагнитного) или теплового поля, а также гидравлической струи, взрывного воздействия.
Физические способы разрушения основаны на свойстве проводимости пород как проводников и диэлектриков, когда в них происходит электрический, тепловой или электрохимический пробой. Другая группа представлена воздействием электромагнитных полей и сводится к прохождению по породе электромагнитных волн различной частоты с последующим ее нагревом и разрушением.
При термическом разрушении на забой скважины подается сверхзвуковая раскаленная газовая струя, образующаяся при сгорании горючего компонента в среде окислителя и способствующая возникновению термических напряжений.
Гидравлическое разрушение реализуется за счет тонкой высоконапорной струи воды, которая подается на забой скважины со сверхзвуковой скоростью.
Взрывное бурение осуществляется при подаче на забой скважины по буровым штангам порции компонентов BB, которые могут быть жидкими или твердыми с различными системами инициирования взрыва.
Из перечисленных способов разрушения горных пород при бурении наиболее распространены механические и термические. Остальные пока не вышли из стадии исследований и конструкционных разработок опытных образцов, что в целом, не исключает возможности их использования в особых условиях, например, при создании отверстий в материалах специального назначения с помощью лазерного луча.
В различных отраслях производства шпуры и скважины, имеющие специфические назначение, бурят в породах (грунтах) разных по физико-механическим свойствам, для разрушения которых рационально использовать соответствующие способы.
Из всего многообразия горных пород и грунтов более 70% приходится на средние и крепкие с коэффициентом крепости по М.М. Протодьяконову 6—20, и лишь 30% — на остальные. В соответствии с этим разработаны конструкции станков (буровых машин), способные работать в таких породах.
По способу приложения силовых нагрузок к разрушающему инструменту буровые машины классифицируются следующим образом:
I. Машины ударно-поворотного бурения, у которых принцип разрушения реализован за счет последовательных ударов по забою разрушающим инструментом (коронкой, долотом) и перед очередным ударом следует его поворот на некоторый угол. У таких машин (перфораторов) конструктивно выполнена жесткая связь ударного и поворотного механизмов и их называют машинами с зависимым вращением, которое обусловливает определенную эффективность разрушения породы.
Постоянный контакт разрушающего инструмента с забоем осуществляется приложением осевого давления (вручную или механически) к самой машине.
II. Машины ударно-вращательного и вращательно-ударного бурения с независимым вращением бурового снаряда относятся к комбинированным механическим способам бурения. Принцип разрушения породы такой же как и у машин ударно-поворотного действия. Главное отличие состоит в независимом вращении, благодаря которому развивается крутящий момент значительной интенсивности, существенно выше, чем при зависимом поворотном бурении и, следовательно, присутствует эффект среза породы. Соотношение усилий от удара и от вращения регулируется осевым давлением на инструмент в степени, нейтрализующей силы отдачи (отскока долота от забоя).
Машины вращательно-ударного бурения отличаются от станков с пневмоударниками тем, что у этих машин удар на разрушающий инструмент передается по длинной штанге, которая вращается специальным двигателем, встроенным в перфоратор. При этом буровой инструмент прижимается к забою с высоким усилием, а под действием статического крутящего момента лезвие долота сминает и скалывает породу. Ударные нагрузки для таких машин составляют 5-10 H на 1 см лезвия бура, а осевое усилие развивается до 500-1000 H на 1 см длины лезвия.
III. Станки вращательного шарошечного бурения, у которых конструктивные особенности долот в сочетании с интенсивной осевой нагрузкой и вращением бурового става, работают на принципе нанесения последовательных ударов зубьями шарошек во время перекатывания по забою. Зубья шарошки под действием осевого давления вдавливаются в породу забоя, а в результате вращательного момента происходит сдвиг и срез неровностей породы.
Ударом и смятием зубки шарошки подготавливают породу к окончательному отделению от массива.
Осевая нагрузка в зависимости от физико-механических свойств пород и прочности долот колеблется от 900 до 2200 кг на 1 см диаметра долота, а частота вращения бурового става - от 40 до 150 об/мин.
IV. Машины вращательного бурения с долотами резцового типа применяются только в породах слабых или ниже средней крепости. Вместе с тем, в зависимости от конструкции долот и их стойкости, таким способом возможно эффективное бурение по породам с коэффициентом крепости 6-10. Процесс разрушения массива пород осуществляется путем непрерывного срезания стружки с элементами скалывания вращающейся коронкой или долотом при одновременной подаче бурового става на забой за счет осевого давления.
По способам удаления продуктов разрушения из забоя и ствола скважины буровые машины подразделяются на следующие:
1. С непрерывным удалением с помощью сжатого воздуха или воздушно-водяной смеси (для пневомоударного, шарошечного и реже при вращательном бурении).
2. Парогазовой смесью (при термическом бурении).
3. По витым штангам (шнекам) (при вращательном бурении).
От режима и эффективности процесса удаления разрушенной массы (шлама, буровой мелочи) из скважины во многом зависит скорость бурения и общие энергозатраты.
По роду потребляемой энергии буровые станки делят на: электрические, тепловые, пневматические, гидравлические и комбинированные. Большинство станков, предназначенных для бурения в средних и крепких породах, как правило, являются комбинированными по роду потребляемой энергии. Чаще всего такой комбинацией является электроэнергия с пневматической или гидравлической с пневматической.
По способу расположения скважин в пространстве станки подразделяются на машины для бурения вертикальных, наклонных и горизонтальных скважин, а также станки для бурения полных и неполных вееров.

---