Пневмоударники: принцип роботи, види та критерії вибору для ефективного буріння

Ефективне буріння твердих порід є критично важливим процесом у багатьох галузях промисловості, включаючи гірничодобувну, будівельну, геологорозвідувальну, а також нафтогазову.

У цьому контексті пневматичні ударники, також відомі як DTH-ударники (Down-The-Hole), відіграють ключову роль як технологія, що забезпечує високу продуктивність і точність при роботі з твердими матеріалами. Метою цієї статті є надання всебічного розуміння пневматичних ударників, починаючи з їхнього принципу роботи та закінчуючи критеріями вибору, особливо для застосування в бурінні твердих порід.

У статті буде розглянуто різні типи пневмоударників, їхні характерні особливості, критерії вибору з урахуванням типу гірської породи та параметрів бурової установки, рекомендації щодо експлуатації та технічного обслуговування, порівняльний аналіз ефективності, вплив характеристик бурової установки та типові проблеми, що виникають під час експлуатації, а також способи їхнього усунення. 

Ударний принцип руйнування гірських порід використовувався в бурінні протягом тривалого часу.

Наприклад, ударно-канатне буріння, де руйнівне зусилля створюється за рахунок ударів долота, що скидається з певної висоти. Однак пневматичні ударники являють собою більш сучасний та ефективний спосіб застосування цього принципу, особливо для буріння твердих порід.   

Фундаментальні принципи роботи

Пневматичний ударник функціонує за рахунок використання енергії стисненого повітря для приведення в дію поршня. Цей поршень здійснює періодичні удари по буровій коронці, яка безпосередньо контактує з гірською породою.

Передача енергії удару від поршня до коронки призводить до руйнування породи шляхом її розколювання та дроблення. Процес є циклічним і забезпечує постійний та рівномірний ударний вплив на вибій свердловини, що дозволяє бурильному інструменту просуватися крізь тверді породи, такі як граніт, базальт або вапняк.

Слід зазначити, що діапазони робочого тиску можуть дещо відрізнятися залежно від виробника та конкретної моделі пневмоударника. Однак загальна тенденція полягає в тому, що низький тиск використовується для менш твердих порід та умов, де важливіше знизити шум та вібрацію, тоді як високий тиск необхідний для ефективного руйнування міцних та абразивних гірських порід.

Крім класифікації за тиском, пневмоударники також можуть поділятися за іншими критеріями, такими як наявність або відсутність клапана та діаметр вхідного отвору для буріння.   

Критерії вибору пневматичних ударників

Вибір пневматичного ударника для ефективного буріння твердих порід залежить від кількох ключових факторів, серед яких тип гірської породи, необхідна глибина буріння та технічні параметри бурової установки.   

Вплив типу та твердості гірської породи

Твердість гірської породи є одним з основних критеріїв при виборі пневмоударника. Для буріння дуже твердих порід, таких як граніт або базальт, рекомендуються пневмоударники високого тиску, здатні забезпечити високу енергію удару. Крім того, для таких порід слід використовувати бурові коронки з високою зносостійкістю. Зазвичай для твердих порід застосовуються коронки з опуклою ріжучою частиною.

Для буріння м'якших порід, таких як вапняк або пісковик, можуть бути ефективнішими пневмоударники низького тиску, що забезпечують вищу частоту ударів при меншій енергії. У цьому випадку можуть використовуватися коронки з увігнутою або плоскою ріжучою частиною. При бурінні в глинистих породах слід враховувати можливість забивання бурової коронки, тому перевагу слід віддавати коронкам спеціальної конструкції.   

Вплив необхідної глибини буріння

Глибина свердловини також впливає на вибір пневмоударника. Для глибоких свердловин зазвичай використовуються DTH-ударники, оскільки вони забезпечують ефективну передачу енергії безпосередньо на бурову коронку, незалежно від глибини. Для дуже глибокого буріння можуть знадобитися пневмоударники високого тиску, щоб підтримувати достатню швидкість проникнення. Слід зазначити, що для деяких простих пневматичних методів буріння глибина може бути обмежена (наприклад, до 40-50 м ), однак сучасні DTH-технології дозволяють бурити значно глибше.   

Урахування технічних параметрів бурової установки

Технічні характеристики бурової установки є важливим фактором при виборі пневмоударника. Одним з найважливіших параметрів є потужність компресора та його здатність забезпечувати необхідний робочий тиск та витрату повітря. Пневмоударник повинен бути сумісний з можливостями компресора; недостатня подача повітря може призвести до зниження продуктивності буріння. Більші за розміром пневмоударники зазвичай вимагають більшої витрати повітря.   

Важливе значення має також бурильна колона (штанга), яка повинна бути сумісна з пневмоударником та забезпечувати передачу обертання та осьового зусилля. Діаметр бурильної штанги та тип різьби повинні відповідати характеристикам пневмоударника. Крім того, необхідно враховувати потужність бурової установки та її здатність забезпечувати необхідний крутний момент та зусилля подачі, особливо при використанні великих пневмоударників та бурінні на значну глибину. Система промивання (подачі стисненого повітря) також повинна забезпечувати ефективне видалення шламу з вибою свердловини. Сучасні бурові установки часто оснащені інтелектуальними системами управління подачею повітря, які оптимізують роботу пневмоударника в залежності від умов буріння. 

Рекомендації щодо правильної експлуатації

Для забезпечення максимальної продуктивності та довговічності пневматичних ударників необхідно дотримуватися певних правил експлуатації. Важливо забезпечити правильне центрування бурильної колони та бурової коронки. Параметри буріння, такі як тиск повітря, швидкість обертання та зусилля подачі, повинні встановлюватися відповідно до рекомендацій виробника та конкретних умов буріння. Починати буріння слід з пониженими параметрами удару та подачі до моменту, поки коронка не заглибиться в породу.   

Під час буріння необхідно постійно обертати бурильну колону за годинниковою стрілкою, навіть під час підйому або опускання пневмоударника. Для ефективної роботи та запобігання зносу внутрішніх компонентів необхідно забезпечити належне змащення пневмоударника з використанням якісних пневматичних масел, що відповідають температурним умовам експлуатації. Кількість мастила слід регулювати залежно від умов буріння. Не рекомендується використовувати зношені або пошкоджені бурові коронки. При з'єднанні бурильних труб необхідно контролювати момент затягування різьбових з'єднань. Перед підключенням пневмоударника до бурильної колони слід продути її стисненим повітрям для видалення можливого сміття. Також слід враховувати екологічні норми щодо рівня шуму та вібрації при проведенні бурових робіт. Регулярний моніторинг показників роботи, таких як швидкість проникнення, витрата повітря та рівень вібрації, допоможе своєчасно виявляти можливі проблеми.

Основні аспекти технічного обслуговування

Регулярне технічне обслуговування є запорукою максимальної продуктивності та довговічності пневматичних ударників. Воно включає в себе регулярні перевірки всіх компонентів на наявність зносу, пошкоджень (тріщин, корозії, задирів) та ослаблених з'єднань. Частота перевірок може залежати від інтенсивності та умов експлуатації. Необхідно контролювати стан бурової коронки та своєчасно замінювати зношені або пошкоджені коронки. Слід також перевіряти стан різьбових з'єднань бурильних труб та пневмоударника, очищати їх від забруднень та змащувати перед кожним використанням. Важливо регулярно перевіряти тиск повітря в системі та виявляти можливі витоки.   

Правильне змащення є одним з найважливіших аспектів технічного обслуговування. Слід використовувати тільки рекомендовані виробником пневматичні масла відповідної в'язкості, залежно від температури навколишнього середовища. Необхідно переконатися в належній роботі мастильної системи та забезпечити постійну подачу мастила в достатній кількості. При бурінні з використанням води або пінних розчинів кількість мастила слід збільшити. При додаванні нових бурильних труб рекомендується заливати в них невелику кількість масла для внутрішнього змащення.   

Зношені деталі пневмоударника необхідно своєчасно замінювати. Особливу увагу слід приділяти стану поршня та інших внутрішніх компонентів, які піддаються значним навантаженням. Рекомендується використовувати тільки оригінальні запасні частини. Під час розбирання пневмоударника для технічного обслуговування необхідно очищати всі деталі від забруднень та перевіряти їх на наявність зносу або пошкоджень. 

Порівняння ефективності різних типів пневмоударників при бурінні твердих порід

Ефективність різних типів пневмоударників при бурінні твердих порід залежить від їхніх характеристик та властивостей гірської породи. Пневмоударники високого тиску, як правило, забезпечують найвищу швидкість проникнення у дуже твердих та абразивних породах, таких як граніт та базальт, завдяки їхній високій енергії удару. Однак при бурінні особливо твердих порід може спостерігатися підвищений знос бурової коронки.   

Пневмоударники низького тиску можуть бути менш ефективними при бурінні дуже твердих порід, але вони можуть забезпечити хорошу продуктивність при роботі з породами середньої твердості. Крім того, вони можуть мати переваги з точки зору зниженого споживання повітря та меншого зносу бурової коронки в певних умовах. Вибір між пневмоударниками високого та низького тиску часто є компромісом між швидкістю буріння та експлуатаційними витратами, включаючи знос інструменту та споживання енергії. Для досягнення оптимальної ефективності необхідно враховувати конкретний тип та твердість гірської породи, а також правильно підбирати бурову коронку. У твердих породах для ефективного руйнування часто потрібне значне осьове навантаження на різець.   

Вплив характеристик бурової установки на вибір та ефективність пневмоударника

Характеристики бурової установки мають значний вплив на вибір та ефективність пневматичного ударника. Одним з найважливіших факторів є продуктивність повітряного компресора, який повинен забезпечувати необхідний робочий тиск та витрату повітря, що відповідають вимогам обраного пневмоударника. Недостатня подача повітря призведе до зниження енергії удару та швидкості буріння. Більші пневмоударники зазвичай вимагають більшого об'єму повітря.   

Бурильна колона також повинна бути сумісна з пневмоударником і здатна передавати крутний момент та осьове зусилля. Діаметр та міцність бурильних труб повинні відповідати умовам буріння та розміру пневмоударника. Потужність бурової установки повинна бути достатньою для обертання бурильної колони та створення необхідного зусилля подачі на пневмоударник. Крім того, система промивання повинна забезпечувати ефективне видалення шламу з вибою свердловини; зазвичай цю функцію також виконує стиснене повітря, що подається компресором. Сучасні бурові установки можуть мати системи оптимізації подачі повітря, що дозволяє підвищити ефективність роботи пневмоударника.   

Можливі проблеми під час експлуатації та способи їх усунення

Під час експлуатації пневматичних ударників можуть виникати різні проблеми, які можуть призвести до зниження продуктивності або зупинки буріння. Однією з поширених проблем є недостатня швидкість проникнення або її повна відсутність. Це може бути спричинено зношенням або затупленням бурової коронки , неправильним типом коронки для даної породи , недостатнім тиском повітря , зношенням внутрішніх компонентів пневмоударника , або забиванням промивних отворів у коронці. Для усунення цієї проблеми необхідно перевірити стан бурової коронки та за необхідності замінити її. Слід також переконатися у відповідності типу коронки до породи, перевірити та відрегулювати тиск повітря , провести діагностику пневмоударника та замінити зношені деталі , а також очистити промивні отвори в коронці.   

Іншою проблемою може бути нестійка робота пневмоударника або його повна відмова. Це може бути викликано потраплянням води або надмірної кількості мастила всередину ударника , наявністю сторонніх предметів або бруду , поломкою внутрішніх деталей, таких як ударна трубка (за наявності) , або неправильним складанням пневмоударника після технічного обслуговування. У цьому випадку необхідно продути пневмоударник стисненим повітрям , розібрати та очистити його від забруднень , перевірити стан внутрішніх деталей та замінити пошкоджені , а також правильно зібрати ударник, керуючись інструкцією виробника.   

Під час буріння можуть виникати надмірна вібрація або шум. Це може бути пов'язано з неправильним центруванням бурової колони , зношенням компонентів пневмоударника , ослабленням болтових з'єднань  або незбалансованістю бурильної колони. Для усунення цих проблем слід перевірити та відрегулювати центрування , провести діагностику та заміну зношених деталей , затягнути всі ослаблені болти  та збалансувати бурильну колону.   

Витік повітря з пневматичної системи може призвести до зниження ефективності буріння. Причинами можуть бути пошкодження або зношення ущільнювачів , ослаблення з'єднань  або тріщини в корпусі пневмоударника. У цьому випадку необхідно перевірити стан ущільнювачів та за необхідності замінити їх , підтягнути всі різьбові з'єднання , а при виявленні тріщин замінити пошкоджені компоненти пневмоударника.   

У деяких випадках пневмоударник може заклинити у свердловині. Це може бути спричинено потраплянням великих уламків породи або інших предметів всередину ударника , неправильним центруванням бурильної колони  або надмірним протитиском. Для усунення цієї проблеми необхідно спробувати витягти ударник, обережно обертаючи та піднімаючи бурильну колону. Якщо це не вдається, може знадобитися використання спеціального аварійно-ловильного інструменту.   

Втрата бурової коронки або приводного патрона може статися внаслідок роботи пневмоударника без обертання за годинниковою стрілкою. Для запобігання цьому необхідно завжди використовувати обертання за годинниковою стрілкою під час буріння та підйому бурильної колони. У випадку втрати бурового інструменту необхідно використовувати спеціальні ловильні пристрої для його вилучення із свердловини.   

Пневматичні ударники є високоефективним інструментом для буріння твердих порід, що широко застосовується в різних галузях промисловості. Їхній принцип роботи, заснований на використанні енергії стисненого повітря для створення ударного імпульсу, забезпечує швидке та якісне руйнування навіть найміцніших гірських порід. Правильний вибір типу пневмоударника, що залежить від твердості породи, необхідної глибини буріння та параметрів бурової установки, є ключовим фактором для досягнення оптимальної продуктивності. Дотримання рекомендацій щодо експлуатації та регулярне технічне обслуговування забезпечують максимальну ефективність та довговічність пневматичних ударників. Розуміння можливих проблем, що можуть виникнути під час роботи, та знання способів їхнього усунення дозволяють мінімізувати час простою обладнання та підвищити загальну ефективність бурових робіт.