Не все лежит на поверхности: иногда приходится глубоко копать, чтобы добраться до сути. Делать это вручную слишком долго и тяжело. Альтернатива — целый комплекс работ под названием бурение. Оно широко применяется во многих областях — в строительстве, геологоразведке, нефтедобыче — и осуществляется разными инструментами. Его результат — скважина, узкое глубокое отверстие в породе. Обычно она вертикальная, реже наклонная (диагональная) и горизонтальная.

Буровая установка — главное оборудование для создания скважин. Это высокомощная машина, которая измельчает грунт или твердую породу в выбранном направлении, а затем извлекает его. Технологий бурения много, и распространены они в разной степени. Ударно-вращательный способ не слишком популярен: это достаточно специфический метод бурения для узкого круга задач. Его осуществляет особая техника — пневмоударник.

Принцип работы

Пневмоударное бурение — это процесс создания скважин при помощи энергии сжатого воздуха. Он относится к ударно-вращательным технологиям. Главный компонент бурового комплекса — пневмоударник, погружной инструмент, который состоит из нескольких узлов:

• система воздухораспределения с центральным подводом;
• рабочие камеры цилиндра;
• выхлоп отработанного воздуха через канал бура.

Компрессорная установка сжимает воздух, а буровые трубы подают его к пневмоударнику. Это заставляет поршень инструмента двигаться. Далее вращение переходит в серию мощных ударов, которые передаются на следующий компонент — забойное долото или коронку. С пневмоударником она соединяется переходником. Весь этот комплекс и есть установка ПУБ.

Удары рывками проталкивают коронку или долото дальше в породу, постепенно формируя скважину. Ее максимальная глубина — 50, в редких случаях 80 метров, диаметр — до 150 миллиметров. Особые детали позволяют расширить шахту скважины вдвое.

Пневмоудар выбивает из породы шлам — продукты бурения, измельченные остатки породы. Эти твердые частицы выдуваются из отверстия сжатым воздухом.

Энергия ударных импульсов способна повредить буровой станок, исчерпать его ресурс до срока. Их необходимо смягчить, для чего пневмобур дополняет упругая муфта — устанавливается прямо над ним. Иногда в конструкцию добавляют шламовую трубу — она нужна для удаления из скважины особо крупных кусков застрявшей там породы. Базовый принцип работы это не меняет. Дополнительное оборудование делает бурение удобнее, но его присутствие необязательно.

Какие бывают режимы бурения

Чтобы ответить на вопрос, какие бывают режимы бурения, нужно углубиться в особенности процесса. У рабочей установки есть несколько настроек. Главных параметров у обычного бура три — частота вращения долота или коронки, осевая нагрузка на него, расход промывочного состава (практически во всех видах работ применяется буровой раствор). Все можно настроить в достаточно широком диапазоне, так что конкретного режима не существует — есть лишь набор показателей, оптимальных для той или иной ситуации. Как понять, что он выбран правильно:

1. Производительность вас устраивает. Бур не должен работать слишком медленно.
2. Она укладывается в нормативы. Слишком высокая скорость работы приводит к преждевременной износу оборудования, кроме того, в ряде пород просто не получится продвигаться быстро. Нормативы бурения — отличный ориентир. Важно помнить, что они немного варьируется в зависимости от модели устройства и подобных вещей.
3. Расход материалов тоже соответствует стандартам. Он слишком высокий? Это сигнал, что настройки подобраны неверно.

Какие факторы влияют на выбор режима?

1. Размер бурового снаряда. На каждый диаметр свои оптимальные показатели. Настраивайте режим бурения под конкретное устройство.
2. Особенности пород (плотность, состав, трещиноватость и прочее). Логично, что разные грунты требуют разных настроек.
3. Текущее состояние скважины.

Для классического бурения скорость работы увеличивается вместе с частотой вращения. Пневмоударному это не подходит: для него практически всегда нужны низкие обороты. Точные значения все так же обусловлены характеристиками породы. Важно, чтобы частота вращения была связана с частотой ударов в минуту. Это специфический для пневмоударного бурения показатель, который зависит от давления подаваемого воздуха. Рекомендованы следующие параметры: 1000-12000 ударов в минуту для твердых пород и 1800-2000 для пород средней твердости.

Уровень осевой нагрузки тоже влияет на скорость бурения, но если превысить определенный порог, оборудование быстро изнашивается и выходит из строя. Пневмоударная технология и вовсе не допускает высокой осевой нагрузки. Доходит до того, что при работе на слабых глинистых грунтах осевая нагрузка должна быть минимальной — установка фактически висит в воздухе. В противном случае каналы для продувки зашламовываются (забиваются), и инструмент вообще останавливается.

Каким должно быть давление подаваемого сжатого воздуха? Прежде всего — постоянным. Незначительные изменения допускаются, но резкое повышение или падение давления — плохой знак, оно сигнализирует о нарушении циркуляции воздушных масс. Если это произошло, необходимо подать в скважину помимо воздуха буровой раствор (содержание поверхностно-активных веществ — около 0,5-2%) в объеме 2-5 литров в минуту. Альтернативное решение — прекратить бурение до восстановления циркуляции естественным образом. Пневмоударный станок сможет продолжить работу некоторое время спустя.

Расход воздуха показывает степень очистки скважины от остатков породы, а также уровень охлаждения рабочего инструмента. Низким он быть не должен, не экономьте его, иначе возможны серьезные поломки, а прокладка скважины будет существенно сложнее.

Последний параметр, определяющий режим работы пневмоударника — скорость воздушной струи, очищающей шахту от шлама. Она должна составлять от 15 метров в секунду. Если размер частиц породы достиг 8 миллиметров, скорость струи должна быть в два раза выше, иначе продувка будет неэффективной. Для более крупных кусков все же стиль подвести в скважину шламовую трубу.

Задачи, которые решает ПУБ

Пневмоударное бурение — технология для особых случаев. В стандартных условиях ее не применяют. Перечислим задачи, которые решает ПУБ.

1. Бурение пород средней твердости. На них пневмобур показывает отличную производительность — выше, чем у большей части аналогичных установок.
2. Бурение твердых пород. Главное предназначение пневмоударника. Снаряд справляется с грунтом, который не поддается обычной технике — это породы VII-XII категорий по буримости.
3. Бурение трещиноватых пород. Подобные сложные грунты — не препятствие для пневмобура.
4. Бурение в условиях многолетней мерзлоты. Оборудование отлично справляется со смерзшимся практически в камень грунтом.
5. Бурение в горных и пустынных районах. В подобных областях стандартная техника либо отказывает, либо требует специфической доукомплектации, либо нуждается в еще большем количестве расходников. Пневмоударник же разработан как раз для них — дорабатывать его не придется.
6. Бурение в условиях поглощения промывочного раствора. ПУБ просто не использует эту жидкость в нормальном режиме работы.

Если резюмировать, пневмобур — тяжелая артиллерия среди буровой техники. Почему так получилось? Стандартные технологии могут работать с твердыми породами, но делают это очень медленно. Продуктивность низкая, а инструмент из-за высокого сопротивления грунта и большого прикладываемого усилия изнашивается очень быстро. Вибрируя под непомерными нагрузками, он принимается отклоняться от нужного курса и портить скважину. Ровной прямой скважины не получается.
Погружные пневмоударники намного эффективнее и производительнее, а изнашиваются медленнее — максимальный ресурс достигает 14 000 часов работы с породами средней твердости.

Второе очко в пользу пневмоударников — сам принцип их работы. Они действуют на малых осевых нагрузках и низких оборотах вращения, то есть для бурения сравнительно глубокой и широкой скважины подходят относительно легкие буровые комплексы. Можно сэкономить и приобрести менее мощную машину. Низкая осевая нагрузка вдобавок означает, что погружение пройдет гладко: бур не будет отклоняться от заданного курса, а отверстие сохранит необходимую форму.

ПУБ — отличный выбор для всех типов скважин. Чаще оно всего используется для разведочного бурения и закладки фундаментов. Ему по силам и технологический, и водозаборный колодец, и полноценная скважина на воду. Из специфических задач можно отметить добычу нефти и газа. Главная же работа пневмоударника — поиск и добыча полезных ископаемых из твердых пород. Высокая производительность практически лишает установку конкурентов в этой области.

Винтовой забойный двигатель

Пневмобуровая установка — частный случай забойного двигателя. Так называется погружной инструмент, преобразующий поступающую гидравлическую, пневматическую или электрическую энергию в механическую работу для бурения скважин. Это превращение происходит в рабочих органах установки. Питание двигатель получает с поверхности, оно подводится по кабелю или колонне бурильных труб.

Принцип действия забойного двигателя бывает винтовым и ударным. С примером техники из второй категории мы уже познакомились — пневмоударник относится именно к ней. Существует также гидроударная версия. Установки вращательного типа — это турбобур, электробур и винтовой забойный двигатель. Его часто называют конкурентом пневмобуровой установки, но реальность несколько сложнее.

ВЗД — это гидромотор объемного действия, который передает буровому долоту или коронке необходимую работу. Он состоит из двух секций, двигательной и шпиндельной, а также регулятора угла.

Рассмотрим подробнее элементы рабочих органов машины. Что входит в состав?

1. Статор. У него есть плоскости, примыкающие к камерам.
2. Поворотный ротор, ведущий винт, передающий крутящий момент. Ротор вращается внутри неподвижного статора, центры их поперечных сечений несколько смещены.
3. Две рабочих камеры. В одной высокое давление, в другой низкое.
4. Замыкатели. Это ведомые винты, которые мешают внутренней жидкости перетекать из камеры высокого давления в камеру низкого. Это называется «уплотнить двигатель».

Конструкция простая, а металла на ее изготовление уходит немного. ВЗД прост в производстве и достаточно широко распространен. Это популярная и востребованная техника.

Каковы характерные черты винтового забойного двигателя:

1. Распределительные устройства, обычно имеющиеся в других буровых установках, отсутствуют. Жидкость перемещается по рабочим камерам без них. Распределительные устройства — слабое место буровых установок, вибрация заставляет их очень быстро изнашиваться, и отсутствие этих элементов заметно увеличивает срок службы.
2. Рабочие органы движутся за счет качения и скольжения на небольших скоростях. Это дополнительно снижает износ оборудования.
3. Точка касания ротора и статора непрерывно меняет свое положение. Это очень важный для ВЗД момент, ведь твердые примеси, которые оказываются во внутренней жидкости, это движение автоматически выносит потоком из рабочих органов. Вероятность, что частицы повредят устройство, заметно снижается. Впрочем, даже при большом проценте механических примесей винтовой забойный двигатель работает долго и эффективно — для этого он и сконструирован.
4. Непосредственный постоянный контакт с жидкостью — буровым раствором, необходимым для создания скважин.

Предназначение ВЗД — бурение скважин, в основном наклонных и горизонтальных. Впрочем, вертикальные он делает тоже. Стенки скважины в ходе работы необходимо укреплять, в противном случае весьма вероятно их обрушение. Для этого применяется готовая обсадка. Самый распространенный вариант — бетонные кольца подходящего диаметра.

Винтовой забойный двигатель подходит для разбуривания солевых отложений, песчаных пробок, цементных мостов и подобных помех. Используется в основном в нефтегазодобывающей отрасли. Это мощное и специфическое устройство, но с пневмоударником оно не конкурирует. У ВЗД задачи свои.

Преимущества и недостатки технологии ПУБ

Пневмоударное бурение сочетает в себе преимущества сразу двух технологий — ударного и вращательного бурения. Это крайне эффективный метод с массой достоинств. Перечислим их кратко:

1. Прочность и долговечность рабочих органов. Пневмобур изнашивается медленно, ломается редко, имеет внушительный срок службы. Способен выдерживать существенные нагрузки без долгосрочных последствий. Какой-то из узлов все же вышел из строя? Не беда: конструкция простая, ремонт несложный, а купить запчасти легко. Надежность — одно из важнейших достоинств пневмобура.
2. Способность справляться с твердыми сложными грунтами, работать в тяжелых условиях. Пневмоударный бурстанок — незаменимый помощник в ситуациях, где любая другая буровая установка не справится.
3. Высокая эффективность при работе с трещиноватыми породами. Обычный бур заклинит, пневматический даже не заметить помеху.
4. Высокая скорость бурения при работе с твердыми грунтами. Отличная производительность — одно из главных преимуществ технологии.
5. Эффективное удаление пылевидного шлама. Мелкие частички породы легко забивают рабочие органы буров других конструкций, коронки и долота попросту клинит. Процесс бурения останавливается. Пневматическая установка выдувает всю пыль, и она не причиняет вреда. Заодно воздух выступает в качестве охладителя, это обеспечивает эффективную бесперебойную работу. Крупный шлам удаляется столь же продуктивно.
6. Высокая степень автономности. Пневмоударнику требуется лишь сжатый воздух, буровой раствор попросту не нужен. Это упрощает работу в условиях, в которых тяжело подвести жидкость к нужному месту. Общие затраты также снижаются.
7. Пневматическое оборудование можно применять в потенциально взрывоопасных средах: нет ничего, что могло бы спровоцировать самовоспламенение. Другие буры в подобных условиях использовать нельзя.
8. При прочих равных цена за буровой установку остается доступной. Высококачественная техника, конечно, дороже, но это полностью окупается.

ПУБ имеет лишь два недостатка. Первый — ограничение по максимальной глубине скважины. Обычно это 30-50, в редких случаях 80 метров. Для глубокого бурения придется искать другой инструмент. Второй спорный момент — сложность применения. Справиться с этой буровой установкой достаточно тяжело, для управления пневмоударником требуются специальные знания и навыки. Это профессиональная техника для опытных специалистов, новичку она не подойдет. Этот момент заметно ограничивает распространенность ПУБ: бурильщиков нужного уровня не хватает.

Недостатки нельзя назвать критическими. Это скорее особенности использования, с которыми придется смириться.

Пневмоударное бурение — редкая, но крайне эффективная технология. Она предназначена для работы с трудным грунтами в тяжелых условиях. Конструктивные особенности пневмоударника делают его выгодным и эффективным устройством для решения самых разных задач. Обычный бур не справляется? Попробуйте пневмоударник!