3. METODE BUŠENJA

Razrušavanje stijena na dnu bušotine, čišćenje dna i iznošenje čestica razrušene stijene te osiguranje stabilnosti stjenke kanala bušotine postiže se različitim metodama i načinima koristeći odgovarajuće postupke, strojnu opremu, alatke i tehničke izume. Pored brojnih načina za razrušavanje stijena na dnu bušotine, osnovne su dvije metode izrade bušotina, a to su: udarna metoda i rotacijska metoda bušenja.

3.1. STANDARDNA PODJELA METODA BUŠENJA

Brojne su mogućnosti podjele metoda bušenja i samih bušotina na temelju različitih pokazatelja. Fizikalno-kemijske odlike procesa samog bušenja, dominantne dodatne operacije u danim tehničkim uvjetima izvedbe i namjena bušotine osnovni su pokazatelji klasificiranja bušotina. Bušenjem se čvrsta stijena razrušava, dok se čestice nekonsolidirane stijene bušenjem samo pokreću sa svog mjesta i u daljnjem procesu drobe i iznose s dna bušotine na površinu.

Prema načinu čišćenja dna bušotine imamo: metode s mehaničkim čišćenjem dna i metode koje koriste različite fluide za ispiranje i/ili ispuhavanje dna bušotine.

Tehnologija proizvodnje opreme za bušenje stijena nije se bitnije mijenjala u posljednjih dvadesetak godina. Pored uvođenja hidrauličkih motora i spojki, postrojenja za udarno bušenje imaju još uvijek važnu ulogu u određenim geološkim i tehničkim uvjetima pa se proizvode i upotrebljavaju na svim kontinentima.

Podjela bušaćih postrojenja na temelju vrste pogona je: postrojenja s ručnim pogonom, bušaća postrojenja na dizel-pogon, elektro-motorna postrojenja za bušenje, postrojenja pogonjena benzinskim motorima, pneumatična postrojenja (manja postrojenja za bušenje u rudnicima) i postrojenja s kombinacijom različitih pogona.

Podjela bušaćih postrojenja prema načinu bušenja praktičnija je klasifikacija od drugih jer omogućava: grupiranje srodnih postrojenja, praćenje i analizu raspoloživih kapaciteta i njihove primjenjivosti za različite namjene u određenoj regiji. Jedna od standardnih podjela metoda bušenja i praktično označavanje svakog od načina bušenja (od A do F):

A. ručne metode bušenja,B. bušenje s povratnim zakretanjem zaštitne kolone,C. udarno bušenje,D. rotacijsko bušenje i to uz:

D1 direktno ispiranje isplakom,D2 zračno ispuhivanje s pjenom ili s krutom pjenom,D3 obratni smjer cirkulacije isplake,

E. bušenje s bušaćim čekićem na dnu – DTH iF. bušenje ostalim načinima.

3.2. KRATAK PRIKAZ METODA BUŠENJA

Detaljno poznavanje svih načina bušenja osigurava izbor djelotvorne metode izrade bušotina za svaku od projektiranih namjena u danim geološkim i radnim uvjetima. . Postupak bušenja obično treba skuplju opremu, obučenu radnu snagu, bušenje traje duže nego ostale prateće operacije, pa se izboru najdjelotvornije metode bušenja mora posvetiti posebna pažnja.

Oprema za bušenje najčešće je posuđena od naftne industrije i adaptirana za dane potrebe bušenja. Kako naftna industrija već niz desetljeća raspolaže velikim financijskim sredstvima i visoko obrazovanom radnom snagom, to se općenito može reći da je oprema za izvedbu bušenja razmjerno skupa, tehnički složena i konstruirana za uvjete najveće štednje na radnoj snazi..

Suvremena se bušaća oprema radi na istim osnovnim načelima razrušavanja stijena i čišćenja dna bušotine, koja su poznata i primjenjuju se stoljećima Dimenzije opreme, način pogona i prijenosa ovise o geološkim i topografskim karakteristikama terena, svojstvima stijena, broju bušotina, lokalnim uvjetima, tradiciji i iskustvu bušača, kovača, tesara, itd.

3.2.1. RUČNO BUŠENJE

Alatke i oprema za ručno bušenje pokazana je na slikama 3-2 do 3-5. Postrojenje za ručno udarno, kao i za ručno rotacijsko bušenje sastavljeno je od slijedećih glavnih uređaja:

– alatki za razrušavanje stijena s potrebnim bušaćim šipkama,– užeta, pribora za spajanje i upravljanje, – bušaćeg tornja,– njihala kod udarnog bušenja, uređaja za rotaciju kod rotacijskog bušenja,– zaštitnih cijevi, alata za spajanje i rukovanje,– alatki i pribora za instrumentiranje u bušotini,

Brojni uređaji, mehanizmi i postupci pri izvedbi bušotina i bunara jednostavnijih konstrukcija, koji su se u raznim dijelovima svijeta dugo i uspješno koristili, koriste se i danas u mnogim zemljama. Za neke metode ručnog bušenja publicirane su čak i cijene sadašnje izrade kompletnih uređaja, mogući učinci, kapaciteti, sheme pa i detaljni nacrti s dimenzijama cjelokupnog pribora ili pojedinih nužnih alatki. Moguća su, naravno, i brojna poboljšanja pojedinih operacija korištenjem vozila, traktora, pumpi, tvornički izrađenih pojedinih alatki, vitla, sjekača, žlica i brojnih uređaja.

Zaštitne cijevi, alatke za razrušavanje stijena i alatke za instrumentiranje u današnje vrijeme se izrađuju od čelika. Dlijeto je alatka za razrušavanje stijena, a kašike služe za čišćenje dna bušotine kod udarne metode bušenja. Razne se naprave također upotrebljavaju za spašavanje izgubljenog pribora u bušotini. Čelične zaštitne cijevi, bušaće šipke i čelična užad proizvodi su lokalnih manjih tvrtki, koje pri proizvodnji ovih alatki respektiraju odgovarajuće standardne dimenzije i uglavnom postižu zahtijevanu kvalitetu.

Toranj za ručno bušenje obično je tronožac i načinjen od drveta (često i bambusa) ili željeznih cijevi. Visina tronošca je ograničena nosivošću krakova i masom pribora. Visina tornja ograničava dužinu bušaćih i zaštitnih cijevi.

Tehničko rješenje izrade uređaja za njihanje kod udarnog, te opreme za rotiranje dlijeta kod rotacijskog bušenja ovisi o iskustvu, zahtijevanim dubinama, promjeru, otpornosti stijena bušenju, inventivnosti bušača i izumitelja u danim uvjetima rada i potreba.

Pogon je, kao što je logično iz samog naslova, snaga ljudskih mišića. Da bi se smanjilo zamaranje radnika i povećao učinak pri raznim postupcima izvedbe bušotine, inovirani su različiti mehanizmi koji koriste principe poluge, opruga, kolotura, protutegova i slične opreme. Često se zaprežu domaće životinje, manji univerzalni motori na tekuća goriva, vozila, traktori i dizalice. Glavnina posla ostaje ipak snazi ljudskih mišica, pa se svi ovi postupci bušenja uključuju pod ovaj naslov – ručno bušenje.

3.2.1.1. RUČNO UDARNO BUŠENJE

Ručno udarno bušenje s različitim alatkama pokazano je na slikama 3-2a. i 3-2b, koristi se za izvedbu plitkih bunara, istražnih bušotina i pilota različitih promjera te manjih dubina u mekšim naslagama. Jedan od ovih postupaka je «sludger», koji služi u Bangladešu za izvedbu više desetina tisuća bunara svake godine. U Bangladešu je ovaj postupak naučen i intenzivno primijenjen u Indiji, Pakistanu, Vijetnamu i brojnim drugim zemljama u razvoju.

Slika 3-2a: Shema jednostavnog udarnog bušenja na ručni pogon1, 1-a i 1-b – dlijeta, 2 – teška šipka, 3 – makaze, 4 – spojnica pribora s užetom, 5 – bušaće uže, 6 – spremnik za mulj s dna bušotine, 7 – kašika, 8 – njihalica, 9 – kolotura, 10 – glavno

vitlo, 11 – ključevi za spajanje i odvajanje alatki, 12 - obujmice

Slika 3-2b: Shema udarnog bušenja na ručni pogon za izradu pilota u aluvijalnim nanosima1 – tronožac, 2 – dvije koloture pričvršćene za tlo, 3 – glavni bubanj, 4 – vitlo, 5 – prvo čelično uže – za alatke za razmuljivanje naslaga i drugo uže za čišćenje dna specijalnom

kašikom, 6 – platforma od drveta ili cijevi s vrećama pijeska za potiskivanje kolone zaštitnih cijevi, 7 – specijalna kašika.

3.2.1.2. SLUDGER POSTUPAK

Sludger metoda je relativno jednostavna, a ujedno, to je najekonomičniji postupak bušenja bušotina malih promjera (do 100 mm) i dubina (do 60 metara) u rahlim naslagama (slika 3-3). Voda slobodno utječe u prstenasti prostor iz isplačnog bazena i vraća se kroz bušaće alatke zajedno s razrušenim naslagama spretnim održavanjem vakuuma rukom bušača na vrhu alatki. Dizanje alatki (pocinčane cijevi 50 mm promjera) pomoću poluge i slobodnog padanja alatki, kroz koje se impulsno diže voda s jezgrom bušenih naslaga ima za posljedicu napredovanje bušenja i dobivanje zgusnutih čestica s dna bušotine.

Na spomenutim alatkama ne koristi se neko posebno dlijeto. Standardna spojnica pocinčaih cijevi 0,05 m normalno je spojena (navojem) na dnu prve (donje) cijevi. Slično je ojačanje pete na većini kolona zaštitnih cijevi koje se utiskuju u bušotine, jer to osigurava povećan promjer bušenja radi smanjenja ukupnog trenja dugačkih cijevi u kanalu bušotine.

3.2.1.3. RUČNO ROTACIJSKO BUŠENJE

Ručno rotacijsko bušenje s mlaznicom i cirkulacijom isplake konvencionalnim smjerom prikazano na slikama 3-4 i 3-5 s raznovrsnim alatkama, jednostavni su postupci rotacijskog bušenja na ručni pogon. Specijalno dlijeto u obliku koplja navijeno je na bušaćim cijevima, ima mlaznicu i razrušava mekane naslage radi bušenja. Čišćenje dna bušotine obavlja se cirkulacijom isplake. Crpka tlači isplaku u bušaće cijevi a tok kroz mlaznicu dlijeta intenzivira razrušavanje stijena (meke naslage). Čestice iznesene na površinu terena separiraju se od isplake, a isplaka se poboljšava u isplačnom bazenu. Na slikama 3-4a i 3-5 pokazane su sheme postrojenja za ručno rotacijsko bušenje pomoću mlaza isplake («Jet»). Bušaće alatke vise u tronogu, alatke se rotiraju ručno, a cirkulaciju isplake osigurava manja centrifugalna crpka.Neki autori klasificiraju «sludger» i «jet» postupke izrade bušotina u takozvane hidrauličke postupke bušenja.

Slika 3-3 a i b: Shema jednostavnog ručnog uređaja za bušenja «Sludger»1 – skela (toranj) za glavnog bušača, 2 – poluga kojom jedan do tri radnika dižu i spuštaju

alatke, u donjem položaju (a) i u gornjem položaju (b), 3 – oslonac poluge, 4 – bušaća alatka, 5 – spojnice alatke i poluge, 6 – spremnik za vodu koja kruži prstenastim prostorom prema

dole i kroz alatke naviše, 7 – krhotine naslaga s mlazom vode, 8 – nakupljene naslage.

Slika 3-4: Shema jednostavnog postrojenja za mlazno bušenje «Jet» (a), stremen, (b) koloture, (c) drvene obujmice za ručno rotiranje (d) različita dlijeta i kašike (e) i način spajanja bušaćih

alatki kod starijih metoda ručnog bušenja (f); glavni dijelovi postrojenja su: 1 – stremen, 2 – koloture, 3 – uže, 4 – malj, 5, 6, i 7 – noseća užad za alatke i malj,

8 - isplačna glava, 9 – tlačno crijevo, 10 – drške za ručno rotiranje alatki, 11 - izljev isplake, 12- lančana kliješta za rotiranje zaštitnih cijevi, 13- isplačni spremnici, 14 – kolona zaštitnih

cijevi, 15 – bušaće alatke, 16 – ojačana peta kolone, 17- dlijeto za bušenje i 18 – tronog.

Slika 3-5: Shema postrojenja za ručno rotacijsko bušenje sa cirkulacijom isplake1 – glavna osovina na vrhu tronošca, 2 – jaram, 3 – tronožac, 4 – nepomično koloturje, 5 –

pomično koloturje, 6 – uže, 7 – isplačna glava, 8 – tlačno crijevo, 9 – centrifugalna crpka, 10 – usisno crijevo s filtrom i protupovratnim ventilom, 11 – drvene vodilice alatki,

12 – bušaće alatke, 13 – lančana kliješta za ručno rotiranje alatki, 14 –spremnik isplake, 15 – isplačni kanali, 16 – sedimentacijski spremnici isplake, 17 – ljestve, 18 –vodoravni nosači za

stabiliziranje tronoga.

3.2.2. BUŠENJE S POVRATNIM ZAKRETANJEM ZAŠTITNE KOLONE

Kod izvođenja dubljih pilota i bunara većeg promjera (500 do 2.000 mm) u naslagama krupnog pijeska i šljunka zasićenog podzemnom vodom nužno je vrlo pažljivo izabrati način održavanja kanala bušotine. To su nepovoljni uvjeti za primjenu rotacijske metode bušenja s obrnutim smjerom cirkulacije isplake jer hidrostatički tlak nije dovoljan za održavanje kanala bušotine. U ovakvim uvjetima preporučuje se privremena ugradnja specijalne kolone zaštitnih cijevi periodičnim zakretanjem (laviranjem).

Proslojci tvrđih stijena i pojava samaca u pijescima i šljuncima smanjuju efikasnost pa je primjena ove metode bušenja ograničena. Djelotvornost ove metode bušenja ograničena je i u debljim naslagama glina koje ne sadrže pijesak niti šljunak u tragovima. Bušenje s povratnim zakretanjem zaštitne kolone djelotvorna je metoda za izvedbu arteških bunara većeg promjera u krupnim šljuncima s konglomeratima s muljevitim nanosima.

Na slici 3-6 shematski je pokazano postrojenje za izradu bušotina povratnim zakretanjem kolone zaštitnih cijevi. Nakon ugradnje projektovane konstrukcije bunara ili armiranog betona u projektovane pilote, zaštitna kolona se vadi.

Ova metoda bušenja koristi posebnu grabilicu (hamergrab) pokazanu na slici 3-7 za iskop, a specijalno postrojenje (lavirka) za utiskivanje zakretanjem standardne (Cazagrande) dvostijenske privremene zaštitne kolone za izradu kanala bušotine. Veći komadi stijene (samci) drobe se primjenom posebnih sjekača (slika 3-8), čime se osigurava djelotvoran završetak bušotine i u složenijim terenskim uvjetima. Razbijanje «samaca» usporava rad na bušenju, međutim, to je u određenim uvjetima neizbježan postupak.

Utiskivanja zaštitne kolone pri bušenju nestabilnih nevezanih naslaga odavno se koristi kod udarnog bušenja. Kad se koristi oprema za udarnu metodu bušenja, zaštitna kolona

(jednostijenska) se utiskuje udarcima alatki za udarno bušenje koristeći obujmicu ( slika 2.11.). Dno zaštitne kolone (peta) je ojačano ozubljenim prstenom radi zaštite kolone od deformacija prilikom zabijanja udarcima alatki, i djelotvornijeg bušenja. Zaštitna kolona prethodi bušenju, odnosno čišćenju dna bušotine kašikom kod korištenja garniture za udarnu metodu bušenja, a iskopavanju grabilicom (hamergrab) pri «laviranju» privremene jednostijenske ili dvostijenske zaštitne kolone.

Izvedba bunara metodom utiskivanja kolone laviranjem nije poželjna ako se bušenje izvodi u glinovitim proslojcima u krovini vodonosnika jer se vodonosnik može lako zagliniti dovučenom glinom na laviranoj koloni iz plićeg ili dubljeg proslojka gline. Kad se ipak koristi ova metoda, bušaču treba dati posebna uputstva kako bi se osigurala prirodna izdašnost vodonosnika pažljivim bušenjem te uobičajenim i dodatnim postupcima osvajanja bunara.

Bušač može pouzdano pratiti sve litološke promjene u bušotini, uzimati uzorke i registrirati izmjene bušivosti stijena. Pažljivo uzeti uzorci materijala iz grabilice (hamergrab) mjerodavni su za ocjenu petrografskih svojstava. Za bušenje bunara dubljih od 60 m u posebno teškim hidrogeološkim uvjetima ova metoda se može kombinirati sa metodom udarnog ili odgovarajućeg rotacijskog bušenja.

Slika 3-6: a) Postrojenje za bušenja pilota Benoto,b) Tlocrt i nacrt uređaja za utiskivanje kolone (lavirke),c) Dvostijenska kolona zaštitnih cijevi (nacrt i presjek),

Slika 3-7:Grabilica za iskop bušotine u specijalnoj koloni zaštitnih cijevi

Slika 3-8: Sjekač za tvrde samce u tlu

3.2.3. UDARNA METODA BUŠENJA

Osnovno načelo bušenja kod ove metode temelji se na dizanju i slobodnom padanju dlijeta s bušaćim alatkama obješenim na užetu (slika 3-9). Dlijeto, padajući na dno bušotine, razrušava stijenu drobeći je u trenutku kada je uže rastegnuto. Elastičnost i usukanost užeta za udarno bušenje, odsukivanje i ponovno sukanje pri porastu i popuštanju vlačne sile u užetu dovoljno je nužno za polaganu vrtnju alatki uz propisno izveden spoj bušaćih alatki s užetom. Dlijeto se tako okrene za izvjestan ugao nakon svakog udarca na dno bušotine pa oštrica dlijeta udara svaki put po novoj površini stijene, i razrušava je po cijelom promjeru bušotine. Tako se postiže nužna okomitost i cilindričnost bušotine.

Snaga pogonskog motora za udarno bušenje može se izračunati kao i za običnu dizalicu slijedećom jednadžbom:

G ּ g ּ v ּ kN = —————— (3-1) η

Shema postrojenja za udarnu metodu bušenja s označenim glavnim dijelovima pokazana je na slici 3-9.

Slika 3-9: Shema postrojenja za udarnu metodu bušenja1 – koloture za zaštitnu kolonu i kašika za čišćenje dna bušotine, 2 – glavna kolotura za

bušaće alatke,3 – amortizer udaraca, 4 – vodilica alatki, 5 – bušaće uže, 6 – spojnica alatki s užetom, 7 – teška šipka, 8- dlijeto, 9 – poluge za upravljanje, 10 – dizalice za niveliranje

postrojenja, 11 – pogonski motor, 12 – spremnik goriva, 13 – spojnica njihala,14 –nepomična ( ishodišna) kolotura, 15 – njihajuća vodilica bušaćeg užeta, 16 – pomična

(njihajuća kolotura), 17 – ruda za vuču postrojenja kamionom, 18 – glavno vitlo, 19 – vitlo za čišćenje dna kašikom, 20 – vitlo za kolonu zaštitnih cijevi,

Postoje pisani dokumenti o uporabi ove metode bušenja bunara do 100 m dubine iz 600 godine p.n.e. Danas se cjelokupna oprema, alatke, zaštitne cijevi, čelična užad i pribor izrađuje prema propisanim normiranim specifikacijama. Bušilice su opremljene čeličnom oprugom ili gumenim prstenovima ispod oslonca glavnog kolotura na vrhu tornja radi veće djelotvornosti bušenja i zaštite tornja od udaraca, koje uže prenosi s pribora na glavni kotur. Ova se metoda danas rijetko koristi za potrebe bušenja za istraživanje i proizvodnju nafte i plina, dok za bušenje bunara, potrebe masovnog miniranja i istraživanja mineralnih sirovina udarna metoda bušenja ima još uvijek važnu primjenu.

Slika 3-10: Alatke za udarno bušenje1 - makaze u otvorenom položaju, 2 – standardno dlijeto, 3 – bušaće uže, 4 – spojnica alatki s užetom, 5 – spoj, 6 – makaze u zatvorenom položaju, 7 – spoj, 8 – kvadratni izrez za zahvat

alata za stezanje i odvajanje alatki, 9 – teška šipka, 10 – spoj, 11 – žlijebni dio dlijeta za usmjerenje vode.

Udarna metoda bušenja primjenjuje se često u srednje tvrdim stabilnim stijenama uz minimalnu upotrebu zaštitne kolone, gdje se ne očekuje obrušavanje u kanalu bušotine. Za bušenje nestabilnih stijena ponekad se koriste i četiri standardna promjera zaštitnih kolona. To svakako otežava i poskupljuje izvedbu bušotina udarnom metodom, ali je nužno pri određenim geološkim prilikama. Utrošak zaštitne kolone može se smanjiti u izvjesnim slučajevima dodavanjem vodi bentonita za udarno bušenje. Ovako se može ublažiti rušenje stijenki bušotine, smanjiti otpor dubljeg utiskivanja jedne kolone te tako izbjeći ili barem odložiti ugradnju slijedeće kolone manjeg promjera.

Razmake zaštitnih kolona, ugrađene u vodonosne stijene u bunarima u kojima se kaptira podzemna voda, treba pravovremeno propucati, ili pak zamijeniti odgovarajućim filtrima. To je obično jednostavan postupak ako se pravovremeno osiguraju cijevi i filtri prema projektu.

Čišćenje dna bušotine kod udarne metode bušenja uvijek se provodi nakon razrušavanja stijene u određenom razmaku standardnim alatkama pokazanim na slici 3-10. Konstrukcija jedne od specijalnih kašika za čišćenje dna pokazana je na slici 3-11a. Ako su stijene nestabilne, nužno je zacjevljivanje bušotine, pri čemu se kolona zaštitnih cijevi utiskuje da prati napredovanje bušotine. Na slici 3-11b dat je snimak impulsa koji se pojavljuju u koloni zaštitnih cijevi prilikom njihovog zabijanja koristeći standardne alatke (slika 3-10).

Brzina bušenja kod primjene ove metode ovisi o: a) bušivosti stijene, b) promjeru i dubini bušotine, c) tipu dlijeta i djelotvornosti održavanja odgovarajućeg oblika, d) režimu bušenja i e) sposobnosti bušaće ekipe da se prilagodi danim uvjetima.

Režim bušenja udarnom metodom obuhvaća: a) broj udaraca u minuti (30 do 60), b) odgovarajuću masu alatki, c) visinu dizanja dlijeta (0,3 do 0,9 m), d) učestalost dodavanja vode i e) učestalost čišćenja dna bušotine odgovarajućom kašikom.

Dlijeto je osnovna alatka kod svih udarnih i najvećeg broja rotacijskih načina bušenja. Tip dlijeta za udarnu metodu bušenja, uglovi zaoštrenja i prioštrenja oštrice dlijeta bitno utječu na djelotvornost udarnog bušenja. U praksi je utvrđena mehanička brzina bušenja krutih stijena 0,1 do 3 m na sat. Manjom udarnom garniturom s bušaćim alatkama mase 150 kg buše se bušotine do 100 m dubine, dok se na većim garniturama mogu postići dubine i do 1500 m. Udarna metoda bušenja se rjeđe koristi za izvedbu bušotina dubljih od 750 m te za promjere bušenja veće od 500 mm.

Na slici 3-12 dana je shema alatke za jezgrovanje u bušotinama koje se izvode udarnom metodom.

Zvjezdasta dlijeta u konvencionalnom obliku (slika 3-14) koriste se za izvedbu bušotina većeg promjera udarnom metodom. Zvjezdasta dlijeta osim spomenutog oblika, proizvode se i u pilotskom obliku. Na slikama 3-15 i 3-16 pokazani su uređaji za rukovanje alatkama na postrojenju za udarno bušenje.

Slika 3-11: a) Kašika za čišćenje dna b) Ilustracija impulsa u koloni zaštitnih cijevi koje se nabijaju alatkama za udarno bušenje

Slika 3-12: Jezgrena cijev «Baker» za udarno bušenje, alatka na dnu (a) i alatka za vrijeme dizanja na viši položaj (b)

1 – peta alatke za jezgrovanje, 2 – kuglasti protu-povratni ventil, 3 – vanjska cijev, 4 – unutrašnja cijev za držanje jezgre, 5 – hvatač jezgre

Slika 3-14: Zvjezdasto dlijeto za udarno bušenje

Slika 3-15: Pomoćni uređaji za rukovanje s alatkama pri udarnom bušenjua – elevator s dva stremena, b – obujmica za alatke, c – izvlakač, d – kuka, e – vijčana i

hidraulička dizalica za niveliranje bušaćih postrojenja

Slika 3-16: Mehanički uređaji za čvrsto spajanje i odvajanje alatki za udarno bušenjea – lančani tip s račvastim ključevima za zahvat lanca, b – zupčasti tip s punim ručkama

ključeva

Udarna metoda ima prednosti u odnosu na rotacijsku metodu izrade bušotina ili pak bunara sličnih dubina i promjera zbog slijedećeg:

1. Manja nabavna cijena stroja i alatki,2. Jednostavnost rukovanja i održavanja,3. Daleko je manji utrošak vode, što je vrlo bitno u bezvodnim i brdskim područjima

(krš), polupustinjskim predjelima i svuda gdje je voda skupa,4. Manja snaga pogonskog motora – manji utrošak goriva i maziva po bušenom metru,5. Samci, raspucale, kavernozne i tektonski poremećene stijene ne predstavljaju veće

poteškoće jer su manje mehaničke brzine bušenja udarnom metodom,6. Jednostavno i pouzdano praćenje litološkog profila, geoloških promjena te mjerenja

količine, razine i promjene kvaliteta fluida u izbušenim vodopropusnim stijenama; minimalne su mogućnosti zagađenja i onečišćenja vodonosnika,

Osnovni nedostaci ove metode su slijedeći:

1. Manja brzina bušenja,2. Ograničena kontrola stabilnosti kanala bušotine i slabe tehničke mogućnosti

intervencije pri prodoru većih količina fluida,3. Česte su zaglave,

3.2.4. ROTACIJSKA METODA BUŠENJA

Proces bušenja rotacijskom metodom obuhvaća: a) razrušavanje stijena rezanjem pomoću lopatičastih dlijeta, b) razrušavanje stijena rezanjem, odlamanjem i drobljenjem pomoću žrvanjskih dlijeta i c) razrušavanje stijena rezanjem i struganjem pomoću dijamantskih dlijeta.

Dno bušotine treba kontinuirano čistiti optokom fluida (slika 3-17), za razliku od udarne metode bušenja gdje se dno čisti posebnom kašikom (slika 3-11a) dok je dlijeto izvan bušotine. Fluid u optoku kod ove metode bušenja iznosi na površinu krhotine razrušenih stijena. Fluid za ispiranje dna bušotine može biti isplaka, zrak, zrak s pjenom ili kombinacija isplake i zraka pod tlakom. Rotacijsko bušenje s direktnim ispiranjem i ispuhivanjem ima najširu primjenu. Posebno je pogodno za jezgrovanje stijena kroz koje se buši. Dobivanje jezgre bušenih naslaga jedna je od najčešćih namjena istražnih bušenja. Posebna se pažnja pritom posvećuje dobivanju zahtijevane količine i kvalitete jezgra.

.

Slika 3-17: Shema rotacijskog bušenja s konvencionalnim smjerom cirkulacije isplake.* - smjer protjecanja svježe isplake, ** - smjer protjecanja isplake s krhotinama stijena prema taložnom spremniku, 1 – toranj, 2 – hidraulički motor koji daje energiju za rotacijsko bušenje,

i isplačna glava, 3 – bušaće alatke koje prenose rotaciju i osni tlak na dlijeto, 4 – vodilice, 5 – isplačne crpke, 6 – spremnik za isplaku, 7 – taložni spremnik,

8 – postrojenje s hidrauličkom visokotlačnom crpkom i pogonskim motorom, 9 – dlijeto.

Za dobivanje potrebne jezgre za predviđena laboratorijska ispitivanja neophodno je osigurati: a) obučenost bušača, b) izbor adekvatnog tipa i ispravne jezgrene cijevi, c) učinkovit režim bušenja, d) rad cjelokupnog procesa bušenja bez zastoja i e) dobro usmjerenu, ravnu i čistu bušotinu što manjeg promjera. Rotacija bušaćih alatki i potrebno opterećenje dlijeta (krune) kod rotacijskih bušilica postiže se na više načina. Kod bušenja dubokih bušotina obično se u rotacijskom stolu rotira četvrtasta (ili nekog drugog povoljnog presjeka) radna šipka a time i cjelokupni niz alatki uključujući i teške šipke kojima se osigurava potrebno osno opterećenje na dlijeto. Pri bušenju istražih bušotina s jezgrovanjem preporučuje se što manji prstenasti prostor pa se rotacija pribora obično postiže u posebnoj bušaćoj glavi u kojoj se gornja bušaća šipka stegne posebnim čeljustima (paknama), a tlak na dlijeto se najčešće postiže hidrauličkim uređajima. Rotacijsko bušenje se izvodi bušaćom opremom koju čine sklopovi za: a) izvlačenje i spuštanje alatki, b) okretanje alatki i c) ispiranje bušotine.

Postrojenje za rotacijsku metodu bušenja ima slijedeće glavne uređaje:

– pogonska oprema koja služi za davanje potrebne snage nabrojanim sklopovima postrojenja,

– oprema za izvlačenje i spuštanje bušačkih alatki – toranj s pomičnim i nepomičnim koloturjem, vitla s čeličnom užadi i kukom,

– alatke i uređaj za njihovo rotiranje, – isplačni sustav – crpke (ili kompresor) s potrebnim crijevima, priključcima i uređajima

za optok, kontrolu i održavanje odgovarajućeg fluida za čišćenje dna bušotine i stabilnost kanala,

– uređaji za osiguranje ušća bušotine te alat za sigurno rukovanje bušaćim alatkama u svim operacijama i

– postolje postrojenja koje može biti instalirano s cjelokupnom opremom na odgovarajućem vozilu za transport bušaćeg postrojenja, alatki i materijala za izvedbu bušotine ili na splavu.

Rotacijsko bušenje se koristi u više različitih varijanti i modifikacija. Radi lakšeg izbora optimalnog načina bušenja za dane geološke uvjete, slijedi prikaz najčešće korištenih varijanti rotacijskog bušenja s najbitnijim karakteristikama opreme. 3.2.4.1 ROTACIJSKA METODA BUŠENJA SA DIREKTNIM OPTOKOM ISPLAKE

Glavna obilježja ove metode bušenja odnosi se na rotiranje alatki određenim brojem okretaja pri čemu dlijeto pri odabranom osnom opterećenju razrušava stijenu. Krhotine razrušene stijene iznosi isplaka odgovarajućih svojstava i brzine kontinuirano na površinu (slika 3-17). Riječ isplaka potječe od glagola isplakivati, jer ova tekućina zaista isplakuje bušotinu i iznosi krhotine probušenih stijena u procesu izrade bušotine.

Slika 3-18: Tipično postrojenje «Acker» za dijamantsko bušenje1- dijamantska kruna, 2- prelaz s ojačanjem, 3-jezgrena cijev, 4-bušaća šipka, 5- spojnica

šipki, 6- dijamantska peta kolone, 7-uvodna kolona s «T» komadom za izliv isplake, 8- stezna glava, 9-bušača glava s dva hidraulička cilindra, 10- isplačna glava, 11-čelično uže,

12- kolotura, 13- stremen i spojnica, 14-četveronožni toranj, 14-manila uže, 16-glavno vitlo, 17- pomoćno vitlo, 18-upravljačka ploča, 19-glavno vratilo (transmisija), 20-pogonski motor, 21-drveno postolje, sanjke i pomični okvir na sanjkama, 22- taložni dio spremnika za isplaku (vodu), 23- filtar s protupovratnim ventilom u isplačnom bazenu, 24-usisno crijevo, 25-crpka

za optok isplake, 26- tlačno crijevo, 27- manometar.

Rotacija alatki postiže se:

– pomoću rotacijskog stola u kojem je ulošcima fiksirana (četvrtasta ili šestokutna) radna šipka; radna šipka (kelly) prenosi okretni moment na dlijeto preko bušaćih i teških šipki,

– okretni moment preuzima gornja šipka u hidrauličkoj glavi, (top-drive) (slika 3-17) i direktno u bušaćoj glavi – (hollow-shaft head), kako je pokazano na slikama 3-18 i 3-19,

– bušaći čekić na dnu dobiva pneumatičnu ili hidrauličku energiju kroz alatke za rotaciju i perkusiju posebno konstruiranog dlijeta (slika 2.28),

– uronjeni pogonski motori (turbinske bušilice, elektrobušilice i vijčani motori), nalaze se neposredno iznad dlijeta ili krune, a pogonsku energiju dobivaju s površine (pritisak isplake ili električna energija) za ostvarenje okretanja rotora, odnosno alatke za razrušavanje stijene na dnu bušotine.

Slika. 3-19: Presjek bušaće glave postrojenja za rotacijsko bušenje sa mehaničkim (a), i hidrauličkim uređajem za davanje osnog opterećenja na alatke (b), s presjekom x-x (14)

1 – vijak s žlijebom, 2 – matica, 3 – konični zupčanik, 4 – okvir kojim se osigurava rotacija uz napredovanje alatki, 5 – četiri brzine napredovanja alatki, 6 – izlazno vratilo, 7 – spojka, 8 – okvir s žljebovima i stezačem alatki, 9 – vodilica spojena s djelovanjem hidrauličkih

cilindara, 10 – par koničnih zupčanika kojima se postiže rotacija alatki, 11 – klinovi (vidljivi na presjeku x-x),

Osno opterećenje na dlijeto kod rotacijske metode bušenja postiže se slijedećim načinima:

– teškim šipkama neposredno iznad dlijeta i– potiskivanjem bušaćih alatki (pull-down); a) ručno, b) mehanički (slika 3-19.a), c)

hidraulički (vidi slike 3-19 b. i 3-20), d) galovim lancem, i e) užetnjačom.

Optok isplake održava klipna crpka odgovarajuće dobave, koja savladava otpore na putu isplake u tlačnom vodu , isplačnoj glavi, radnoj šipki, bušaćim šipkama, teškim šipkama, dlijetu i na uzlaznom putu u prstenastom prostoru. Krhotine razrušene stijene isplaka iznosi s dna bušotine do površine gdje se talože u jednom ili u više isplačnih bazena. Uzlazna brzina u prstenastom prostoru treba biti veća od brzine zaostajanja krhotina razrušene stijene u isplaci, tj. obično između 0,5 do 1 m/s, kako bi se osiguralo potrebno čišćenje dna i izbjegli zastoji krhotina stijene ili čvrstih čestica u kanalu bušotine.

Pored poznavanja opreme za bušenje i besprijekornog rukovanja postrojenjem i alatkama u svim operacijama izvedbe bušotine, bušač treba biti obučen za: a) izbor odgovarajućeg režima bušenja za stijene i uvjete u kojima treba bušiti, b) korektno praćenje promjena na dnu motreći isplaku i druge pojave, c) stalno praćenje indikatora mase, manometra, tahometra i drugih raspoloživih mjernih instrumenata radi poduzimanja pravovremenih tehničkih intervencija. To su ujedno i uvjeti za djelotvornu izradu bušotine prema projektu, bez zastoja i rizika, a za bolju konačnu ekonomičnost rada. Djelotvornost i ekonomičnost bušenja ovom metodom ovisi, pored ostalog, o slijedećim činiocima:

– mehaničkim i fizičkim svojstvima stijena kroz koje treba bušiti (čvrstoća, tvrdoća, abrazivnost, vlažnost, temperatura i dr.) i pravovremenoj informiranosti bušača o eventualnim promjenama,

– izboru odgovarajuće vrste dlijeta za bušenje kroz svaku od stijena koje se predviđaju prognoznim profilom,

– izboru odgovarajuće crpke za dovoljnu dobavu isplake pri bušenju najvećeg promjera projektirane bušotine i potrebnog tlaka za najveću dubinu i uvjete utvrđene istražnim radovima, imajući mogućnost reguliranja dobave i tlaka,

– izboru optimalnog broja okretaja i osnog opterećenja na dlijeto (ili krunu) kako bi se radne komponente (zubi, radne plohe oštrica kod kruna i lopatičastih dlijeta i dr.) ravnomjerno i potpuno istrošili,

– održavanju svojstava isplake,– obučenosti i spremnosti posade da prati uvjete u bušotini i po potrebi pravovremeno

mijenja broj okretaja dlijeta, osno opterećenje i svojstva isplake zbog postizanja najveće sigurnosti i ekonomičnosti rada.

Slika 3-20: Shema hidrauličkog uređaja za davanje osnog opterećenja na alatke kod rotacijskog bušenja.

1 – bušaća šipka, 2 – križna glava, 3 – hidraulički cilindri, 4 – manometar, 5 – slobodan tok hidrauličnog ulja, 6 – kontrolni ventil, 7 – reguliranje u 4 smjera za tlačni tok, 8 – crpka za

hidrauličko ulje, 9 – usisni tok, 10 – filter, 11 – rezervoar ulja, 12 – povratni tok

Nužno je praćenje, evidentiranje, izvještavanje i analiziranje podataka u vezi s nabrojanim činiocima na svakom projektu. Rezultate utvrđene analizom ovih opažanja treba koristiti za poboljšanja procesa bušenja i povećanje ekonomičnosti.

Sporije je i skuplje mijenjanje svojstava isplake od promjene osnog opterećenja i broja okretaja alatki. Na slikama 3-21 (a) i b) dijagramski su prikazana opća iskustva o utjecaju osnog opterećenja na dlijeto i broja okretaja alatki na brzinu bušenja u mekanim, srednje tvrdim i tvrdim stijenama.

Slika 3-21: Odnos brzine bušenja u različitim stijenama pri promjeni: a) brzine rotacije alatki i b) osnog opterećenja dlijeta

1 – mekane stijene, 2 – srednje tvrde stijene i 3 – tvrde stijene.

3.2.4.2 OSOBINE DIJAMANTSKOG BUŠENJA

Na slici 3-18 shematski je pokazano jedno tipično postrojenje za izradu istražnih bušotina koristeći dijamantsku krunu na jezgrenom uređaju. Postrojenje čine slijedeće komponente: radna platforma, toranj s vitlima, bušaćom glavom i kontrolnom opremom,

pogonski motor s glavnom spojkom i mjenjačem te crpka s nužnom opremom za optok fluida za ispiranje dna bušotine.

Najveći broj dijamantskih kruna i ostalih bušaćih alatki koje se koriste za bušenje i jezgrovanje u bušotinama, izrađuju se u različitim dimenzijama respektirajući odgovarajuće standarde.

Na slici 3-22 dan je presjek dvostruke jezgrene cijevi tipa «Denison» s detaljem dijamantske krune na slici 3-22b. (1). Na slici 3-23.a dan je presjek jednostavne dvostruke jezgrene cijevi a na slici 3-23.b detalji djelovanja dijamanstke krune na dnu bušotine. Istražne bušotine manjih promjera (slim-hol) osiguravaju veći postotak jezgre istraživanih mineralnih sirovina, kolektora nafte, plina i termalnih, odnosno mineralnih voda. U tu svrhu koriste se jezgrene cijevi različitih konstrukcija i tipova dijamantskih kruna, koje imaju prstenasti oblik različitih konstrukcija i dimenzija.

Slika 3-22: Dvostruka jezgrena cijevi «Denison» (a) s detaljem krune (b) i presjek jezgrene cijevi «Denison» (c)

1 – Glava jezgrene cijevi, 1a – navoji spojnice s alatkama, 1b – vanjski dio glave, 1c – unutarnji dio glave, 2 – kontrolni ventil, 3 – dovodi vode, 4 – odušni otvori, 5 – zaliha

masti, 6 – gornji ležaj, 7 – donji ležaj, 8 – šuplje vreteno, 9 – izrezi za zahvat ključa, 10 – kavez, 11 – gumena brtvila, 12 – cilindar, 12a- glava cilindra, 13 – unutarnja cijev

(jezgrena), 14 – vanjska cijev, 15 – kruna vanjska, 15a – zubi za drobljenje stijene, 16 – kruna unutrašnja (peta), 17 – opružni držač jezgra

* Sve su dimenzije u inčima (palcima),___________________

1. Wireline uređaji, alatke su za djelotvorno dobivanje jezgre, a spuštaju se i izvlače posebnom žicom (ili tankim čeličnim užetom) s dna bušotine kroz bušaće šipke (vidi sliku 3.19),

2. DCDMA – kratica je za standard alatki za bušenje dijamantskim alatkama – Diamond Core Drill-Manufacturing Association.

Slika 3-23: Presjek dvostruke jezgrene cijevi (a) s detaljem dijamantske krune (b)1 – glava vanjske cijevi, 2 – vreteno, 3 – držač ležaja, 4 – spojnica unutrašnje cijevi,

5 – vanjska cijev, 6 – unutrašnja cijev, 7 – prelaz za spajanje jezgrene cijevi, 8 – držač jezgre, 9 – otkidač jezgre, 10 – dijamantska kruna, 11 – optok isplake, 12 – jezgra

Dijamanti različite kakvoće i krupnoće zrna koriste se za izradu brojnih oblika i dimenzija bušaćih kruna, za ojačanje pete zaštitnih kolona i obradu kanala bušotina (na pojedinim alatkama). Jezgrene cijevi s dijamantskim krunama izrađuju se za sve vrste geoloških naslaga i petrografska svojstva stijena od najmekših do najtvrđih.

Kod proizvodnje bušaćih dlijeta (kruna) važan je, pored oblika, krupnoće, kakvoće dijamantskih zrna na radnim površinama i sastav te fizička svojstva legura (matrica) u koju se stavljaju dijamantna zrna. Tvrdoća matrice krune može biti srednje tvrda i tvrda te manje ili više otporna na abrazivnost stijena u kojima se planira bušenje. Tvrdoća matrice bira se na temelju: a) kakvoće i krupnoće dijamantnih zrna, b) fizičkih svojstava stijena za koje je kruna namijenjena i od režima bušenja.

3.2.4.3. UPOTREBA MLAZNIH DLIJETA

Upotreba mlaznih dlijeta (jetting bit) može osigurati veću djelotvornost i ekonomičnost rada te manji rizik u izvođenju bušenja nego primjena konvencionalnih dlijeta. Žrvanjska mlazna dlijeta imaju izlaznu brzinu isplake već od 85 m/s. Mlazovi isplake

usmjereni su okomito na dno bušotine. Time se osigurava: a) pomoć mehaničkom djelovanju dlijeta na razrušavanje stijene i potpunije čišćenje dna i b) brže penetriranje alatki. Zato su ove alatke posebno djelotvorne pri izradi dubljih bušotina pod uvjetom da je moguća primjena odgovarajućeg režima bušenja.

Mlazovi isplake iz mlaznica usmjereni su na dno bušotine okomito, i tako djeluju na dno bušotine i razrušavaju slabo vezane stijene mlazom isplake.

3.2.4.4. ROTACIJSKA METODA BUŠENJA UZ ISPUHAVANJE ZRAKOM

Većina standardnih postrojenja za rotacijsko bušenje s optokom isplake može se koristiti i za rotacijsko bušenje s ispuhavanjem dna bušotine zrakom uz određena modificiranja i zamjenu isplačne crpke odgovarajućim kompresorom. Shema jednog manjeg mobilnog postrojenja za veoma djelotvornu izvedbu bušotina pokazana je na slici 3-24.

Sastav bušaćih alatki kod ove varijante rotacijske metode bušenja sličan je ili skoro isti kao i kod već opisanog bušenja uz ispiranje isplakom. I ovdje se koristi radna šipka, bušaće i teške šipke, prelazi, stabilizeri te različite vrste dlijeta. Ugrađuju se dva protupovratna ventila radi sprječavanja vraćanja čestica bušenih naslaga u bušaće alatke. Prvi se postavlja odmah iznad dlijeta, a drugi u bušaće alatke neposredno ispod ušća bušotine. Pri korištenju aerizirane isplake također se koriste protupovratni ventili.

Slika 3-24: Shema mobilnog postrojenja «Aquadrill R-50» - Atlas Copco, za izvedbu istražnih i eksploatacijskih bušotina

1 – toranj s hidrauličkim motorom za rotaciju (a), bušaćom šipkom i isplačnom glavom (b), stolom i kliještama za spajanje i razdvajanje alatki (c) i svjetiljkom za noćni rad (d), 2 – dizel motor, 3 – vitlo, 4 – crpka za pjenu sa spremnikom za vodu, 5 – bušačeva upravljačka ploča,

komande za dizanje i spuštanje tornja i dizalica za niveliranje postrojenja, 6 – hidraulička crpka i spremnik za hidrauličko ulje, 7 – vozilo odgovarajućih dimenzija,

pokretljivosti i snage, 8 – DTH-čekić na dnu, 9 – kompresor, te opcije: postolje s pregradama za odlaganje alatki, stroj za zavarivanje i skupljač prašine.

Tlačni zračni vod spaja kompresor s tlačnom spojkom u tornju na putu komprimiranog zraka u tlačni sustav zraka. Na tlačni vod priključen je zaobilazni vod, koji služi za odvod komprimiranog zraka u uzdužnu cijev tokom dodavanja bušaće šipke, kako bi se izbjeglo zaustavljanje kompresora. Na tlačni vod priključeni su i dovodi za eventualno injektiranje pjenušavaca i čvrstih tvari (polimera ili bentonita), kada to prilike bušenja zahtijevaju.Ispušna cijev je u sistemu na izlazu iz bušotine, a služi za odvođenje zraka i iznesenih čestica razrušene stijene do hvatača čestica.

Mjernim i kontrolnim instrumentima i uređajima sistemski se mjere slijedeće vrijednosti: a) tlak protiskivanja zraka kroz tlačni sistem, b) dobava zraka, c) vlažnost i temperatura ulaznog i izlaznog zraka, i d) količina, krupnoća i svojstva iznesenih krhotina razrušenih stijena. Ove se vrijednosti, uz podatke o osnom opterećenju, broju okretaja i zakretnom momentu alatki te brzini bušenja bilježe i analiziraju zbog potpunijeg interpretiranja rezultata bušenja.

Postupak proračunavanja potrebnih količina suhog zraka za kvalitetno čišćenje dna i iznošenje razrušenih stijena detaljno je proučen. Napisana su praktična uputstva za uspješan rad ovom metodom bušenja. Treba respektirati vrijednosti prosječne brzine zračne struje, koja u prstenastom prostoru treba biti veća od 15 m/s. Ovaj kriterij zahtijeva relativno veliku dobavu zraka pri izvedbi bušotina većeg promjera (bunara), pogotovo onda kada se koriste bušaće alatke manjeg promjera.

Uspješno bušenje pri korištenju kompaktne pjene zahtijeva daleko manju brzinu zračne struje u prstenastom prostoru. Preporučuje se brzina zračne struje s pjenom od 0,5 do 1,0 m/s. Ova brzina omogućava korištenje za 60% manjeg kompresora nego je to zahtijevano pri ispuhivanju suhim zrakom.

Poznato je da je čišćenje dna bušotine djelotvornije kada je manja viskoznost fluida kojim se ispire, odnosno ispunjava dno bušotine. Od brojnih sredstava, koja se u praksi koriste za čišćenje dna bušotine, zrak ima najmanju viskoznost pa se primjenom zraka u optimalnoj dobavi omogućava dlijetu razrušavanje potpuno čistog dna i tako izbjegava gubitak energije za ponovno drobljenje već ranije razrušene stijene.

Pri rotacijskom bušenju s čišćenjem dna zrakom, pjenom ili s aeriziranom isplakom mehaničke brzine bušenja su veće u odnosu na primjenu uobičajene bentonitske isplake. To se objašnjava manjim tlakom stupca zraka u prstenastom prostoru na dno, većom brzinom zraka, povećanim djelovanjem pornog tlaka i stijenskih napona te već spominjanom malom viskoznošću zraka – kvalitetnijim čišćenjem dna bušotine.

Ispuhavanje zrakom nije moguće uvijek primjenjivati. Za bušenje u mekanim, plastičnim, ljepljivim stijenama i stijenama sklonim bubrenju, nije preporučljivo koristiti ispuhavanje. Isto tako, kod vezanih i fluidom zasićenih stijena, kada je fluid pod većim tlakom, treba izbjegavati primjenu zraka za ispuhavanje, odnosno, zrak treba u takvim slučajevima zamijeniti odgovarajućom isplakom.

Rotacijska metoda bušenja s ispuhavanjem suhim zrakom preporučuje se u tvrdim, čvrstim i konsolidiranim te kavernoznim stijenama, naročito tamo gdje je izuzetno hladna klima ili je bezvodno područje. Bušenje uz ispuhavanje koristi osno opterećenje dlijeta svega 30% od onog pri bušenju s isplakom. Broj okretaja dlijeta manji je nego kod bušenja s upotrebom isplake. Ovakav režim, pored veće mehaničke brzine, ima i dvije dodatne vrijedne posljedice: duži je vijek trajanja dlijeta i smanjeno je habanje bušaćih alatki.

Pojavom manjih količina podzemne vode pri bušenju uz ispuhavanje ovlažuju se čestice razrušene stijene pa se događa sljepljivanje i formiranje nepoželjnih čepova u prstenastom prostoru. To može uvjetovati prihvat bušaćih alatki, lomove i druge havarije u bušotini. Zato se preporučuje raspolaganje kompresorom većeg kapaciteta i posebna pažnja posade u ovakvim uvjetima rada. Čim se utvrdi smanjenje mehaničke brzine bušenja, povećanje pritiska protiskivanja zraka kroz zračni sustav, povećanje zakretnog momenta na bušaćim šipkama ili osjetno smanjenje volumena iznesenih čestica na površinu, tada treba pokušati utiskivati higroskopne tvari u zračni vod zraka za ispuhavanje. Higroskopne tvari koriste se radi sušenja kanala bušotine jer imaju sposobnost apsorbiranja suvišne vode koja dotiče iz naslaga.

Ako je dotok vode veći od 7 litara u sekundi, ispuhavanje zrakom treba zamijeniti cirkulacijom isplake, ili ga kombinirati s dodatkom pjenušavca. Pjenušavci su prokušane, površinski aktivne tvari koje djeluju tako da njihove hidrofilne molekule vežu molekule vode. To učvršćuje hidratni sloj opne zračnih mjehura. Povećanjem čvrstoće opne zračnih mjehura eliminira se povećanje veličine mjehura i njihovo raspadanje pri međusobnom sudaranju. Korištenje površinski aktivnih reagenata, pjenušavaca sa zrakom za ispuhavanje dna bušotine, omogućava: a) homogeniziranje ulaznog toka, b) poboljšanje sposobnosti iznošenja čestica stijena na površinu, c) eliminiranje zračnih jastuka i d) sprječavanje pulsiranja zraka u zračnom sistemu. Na ovakav način se povećava mehanička brzina bušenja i vijek trajanja dlijeta, a troškovi bušenja po tekućem metru znatno se smanjuju.

Ista bušaća oprema i alatke, kao što je već napomenuto, može se koristiti za bušenje rotacionom metodom s različitim varijantama čišćenja dna i iznošenje krhotina razrušene stijene na površinu.

3.2.4.5. ROTACIJSKA METODA BUŠENJA UZ OBRNUTI TOK ISPLAKE

Ova varijanta rotacijske metode bušenja ima obrnuti (indirektni) smjer optoka bušaćeg fluida u odnosu na direktni, konvencionalni. Smjer fluida kod indirektnog toka ispiranja dna bušotine pokazan je na slici 3-25.

Slika 3-25:. Shema garniture za rotacijsko bušenje s obrnutim (indirektnim) smjerom optoka isplake

1 – isplačna glava s uređajem za rotaciju na radnoj šipki, 2 – vodilica alatki, 3 – muljna crpkaa, 4 – istaložene krhotine stijena.

* ** - površinski tok isplake s krhotinama pod utjecajem vakuuma,*** - silazni tok vode ili isplake u prstenastom prostoru,

Usisni tok kod obrnutog (indirektnog) smjera počinje već u ulijevnoj cijevi, koja spaja isplačni bazen i prstenasti prostor oko bušaćih alatki u kanalu bušotine, nastavlja se prstenastim prostorom do dna bušotine gdje zahvata čestice dlijetom razrušene stijene i nosi ih kroz alatke, isplačnu glavu, usisno crijevo do muljne pumpe. Tlačni tok kod ove varijante bušenja sačinjava samo izlijevna cijev s upravljačkim ventilom. Usisni tok fluida kod rotacijske metode bušenja s direktnim smjerom obuhvaća samo usisnu korpu u isplačnom spremniku i usisno crijevo do crpke. Sve je ostalo tlačni tok koji održava pumpa.

Smjer isplake injektiranjem komprimiranog zraka u tekućinu pri adekvatnom uronu zračnih cijevi (aeir-lift) koristi se već duže vrijeme. Kada se obrnuti tok isplake koristi pri izradi bušotina dubljih od 100 m, atmosferski tlak nije dovoljan za djelotvoran optok, tada se koristi mamut pumpa kao nužna pomoć efikasnijem bušenju. Mamut pumpu (aeir-lift) čini odgovarajući kompresor i sistem zračnih cijevi kojima se dovodi komprimirani zrak na potrebanu razinu (uron) u bušaće šipke (slika 3-25). Za izradu bušotina dubljih od 500 m koriste se odgovarajuće isplačne crpke za tlačenje isplake u prstenasti prostor i uređaj za zatvaranje prstenastog prostora iznad tlačnog dovoda isplake radi usmjeravanja isplake prema dnu bušotine.

Kao isplačni fluid kod indirektnog smjera najčešće se koristi voda u kojoj se glina i prah suspendiraju prilikom bušenja i optoka vode. Samo je na početku bušenja to bila voda u isplačnim bazenima, koja bez suspendiranih čestica ima drugačija svojstva. Bentonit se ponekad dodaje, dok se drugi reagensi rjeđe dodaju isplakama za indirektno bušenje plićih bunara.

Stabilnost kanala bušotine do konačnog zacjevljenja održava se pritiskom vodenog stupca koji teče u prstenastom prostoru oko bušaćih alatki prema dnu. Izvjesno je da se dio vode infiltrira u vodopropusne stijene. Postoji i erozija nastala optokom vode, no ovdje ona ipak manje ugrožava kanal bušotine nego kod direktnog smjera isplake jer se brzina toka u prstenastom prostoru ograničava na 0,3 m/s.

U aluvijalnim pijescima, u kojima je razina vode dublja od 2 metra u odnosu na razinu vode u isplačnim spremnicima, rotacijskom metodom se uz indirektni smjer vode postižu, bez većih poteškoća, izuzetno dobre mehaničke brzine bušenja, preko 12 metara na sat. Bušenje uz direktni smjer fluida u ovakvim se uvjetima ne bi moglo izvoditi bez bentonitske isplake.

Kada se rotacijska metoda s indirektnim smjerom vode koristi za bušenje u ilovačama, glinama i pjeskovitim glinama, moguća su obrušavanja te slabiji učinci i veliki rizici od havarija u bušotini. Ovaj problem može se uspješno riješiti dodatkom kaustične sode (NaOH) vodi do postizanja lužnatosti isplake pH=10,5. Pri bušenju suhih poroznih glina i ilovača ovom metodom, spomenuto dodavanje kaustične sode može se pokazati beskorisnim. Dodavanje natrijevog silikata sa vodom u omjeru 4 do 10% može biti uspješna intervencija u

mnogim slučajevima. Ukoliko ni ovaj dodatak ne spriječi obrušavanje u kanalu bušotine, tada vodu treba zamijeniti bentonitskom isplakom velike viskoznosti, a manje obujamske mase i filtracije ili cijevima (zaštitnom kolonom) učvrstiti razmake bušotine u kojima se obrušavaju nestabilne naslage.

Treba osigurati tri puta veći volumen spremnika za isplaku na početku bušenja ovom metodom u odnosu na konačan volumen bušotine. Time se osigurava dovoljan prostor za odlaganje čestica razrušenih stijena i nužna zaliha vode, koja je potrebna za sigurnost pri uobičajenom gubljenju vode pri bušenju poroznih naslaga. Radi uspješne intervencije pri eventualnom iznenadnom gubljenju vode, preporučuje se osiguranje rezervne pumpe ili nekog drugog načina snabdijevanja vodom.

Najveća opasnost za stabilnost bušotine je pražnjenje u rezervoarima za vodu (isplaku), odnosno sniženje razine vode u kanalu bušotine. Zbog velikog gubljenja vode, ako se nadoknada u izvjesnim okolnostima ne može osigurati pri bušenju debljih naslaga nezasićenog krupnog šljunka, može doći u pitanje i primjena ove metode bušenja. U takvim uvjetima korištenje guste isplake ili ugradnja zaštitnih cijevi sa ili bez cementiranja prstenastog prostora omogućuju daljnju upotrebu ove metode bušenja. Ako to nije rentabilno, treba primijeniti ekonomičniji način bušenja povratnim zakretanjem (laviranjem) zaštitne kolone.

Infiltriranjem vode prilikom bušenja u šupljikavim naslagama obično se odlažu i sitne čestice razrušene stijene u kanalu bušotine. To uzrokuje značajnije smanjenje daljnjeg gubljenja vode iz kanala bušotine, odnosno iz ispirnih rezervoara. Gubici vode se mogu smanjiti i dodavanjem usitnjene gline iz nekog bližeg površinskog pozajmišta ako je to nužno i ekonomično. Čestice nataložene u vodonosniku koji ispitujemo ili kaptiramo bušenim bunarom treba pravovremeno odstraniti nakon ugradnje filtera. Čišćenje u nekim slučajevima može biti dugotrajan i skup postupak.

Centrifugalna pumpa za optok ispirnog fluida obično ima kapacitet veći od 2 m3/min. Osjetljiva je na abrazivnost krhotina razrušene stijene, koje se nalaze u isplaci, pa to može poskupiti njeno održavanje. Radi toga se često puta koristi hidro-ejektor umjesto muljne pumpe. Tada posebna pumpa tlači čistiju vodu pa je habanje opreme za bušenje manje.

Za spajanje radne, bušaćih i teških šipki, te dlijeta i ispirne glave koriste se kod ove varijante bušenja prirubnice. Prirubnice imaju veći vanjski promjer (280 mm za bušaće šipke promjera 180 mm) tako da je ograničen minimalni promjer bušenja ovim načinom na 457 mm (18 inča), kako bi se očuvao dovoljan presjek prstenastog prostora za odgovarajuću brzinu silaznog toka. Broj okretaja alatki je 10 do 50 u minuti.

Rotacijska metoda bušenja uz obrnuti smjer vode najjeftinija je pri izvedbi bunara velikog promjera u mekanim aluvijalnim naslagama do dubine 100 m. Povećavanje dubine bušenja ovom metodom zahtijeva ugradnju zračnih cijevi u bušaće šipke i korištenje komprimiranog zraka radi intenziviranja cirkulacije i kvalitetnijeg čišćenja dna bušotine.

Kada statički nivo vode u tlu nije ni dva metra niži od nivoa vode u isplačnim rezervoarima, mora se podići odgovarajući nasip da bi se ta razlika postigla i uspješno koristila ova metoda bušenja. Priprema ovakvih rezervoara zahtijeva znatne troškove i duže vrijeme od uobičajenog.

Ispitane su i proučene teškoće bušenja bunara na brojnim lokacijama visoke razine vode u tlu pripremanjem isplačnih spremnika u nasipu na tlu različite vodopropusnosti. Utvrđeno je da se nivoi podzemne vode trebaju očuvati na nužnoj (minimalnoj ili dubljoj) vrijednosti i tako omogućiti primjenu ove varijante bušenja. To se postiže kontroliranjem i sprječavanjem infiltracije i pravovremenim punjenjem isplačnih spremnika vodom.

Ova metoda nije prikladna za izradu bušotina u naslagama s krupnijim samcima, pogotovo tamo gdje su samci veći od najmanjeg promjera u optočnom sistemu isplake

(ispirna glava). Najmanji unutrašnji promjer alatki za izradu bušotine do 100 m dubine obično je 150 mm.

Uzorci naslaga dobiveni pri bušenju ovom varijantom rotacijskog bušenja iz izlazećeg toka isplake kvalitetni su i pouzdani za interpretiranje probušenih naslaga (stijena). Intenzitet gubljenja vode u pojedinim razmacima bušotine veoma je važan pokazatelj vodopropusnosti tih razmaka. Zato treba organizirati praćenje, mjerenje i bilježenje utroška vode u svakom od razmaka bušotine prilikom bušenja.

Izrada bušotina većeg promjera

Bušenje rotacijskom metodom s indirektnim smjerom optoka fluida uz primjenu zračnog liftera /»aeir-lifta») najekonomičniji je postupak izvedbe manjih okana u određenim uvjetima za potrebe u rudarstvu i građevinarstvu. Ovom metodom izrađene su bušotine promjera 3.048 mm (120 inča) dubine 1.708 m. Metoda je primjenjiva u mekim i tvrdim stijenama.

Na slici 3-26 pokazan je presjek bušaćih alatki za izvedbu dubljih bušotina većeg promjera.. Ovdje se daje pregled potrebnih brzina toka zraka, tekućine i krhotina za uvjete djelotvornog čišćenja dna bušotine i iznošenja čestica razrušene stijene na površinu.

Korisnik bušotine daje projektantu relevantne podatke istražnih radova i projektni zadatak za izradu svake pojedinačne bušotine. Na temelju dobivenog projektnog zadatka i rezultata prethodnih istražnih radova projektant treba utvrditi slijedeće vrijednosti:

a) dubinu i promjer bušotine, b) metodu bušenja i dimenzije bušaćih alatki (šipki) i c) isplačni sustav i svojstva isplake, odnosno specifikacije kompresora i dimenzije zračnih cijevi za dovod komprimiranog zraka. Projektant je obavezan provesti analizu dobivenih podataka i proračun slijedećih

vrijednosti: a) dobavu kompresora (količinu zraka i pritisak) i dubine urona zračnih cijevi; b) brzinu kretanja isplake, zraka i čestica razrušene stijene u karakterističnim presjecima (ulaz zraka u dlijeto, u radnoj i bušaćim šipkama, isplačnoj glavi); c) dimenziju isplačne glave, radne šipke i drugih alatki ukoliko vrijednosti nisu ranije zadane. Okomito iznošenje čestica osigurava se brzinom toka isplake u alatkama 0,51 do 0,61

m/s ili brzinom zračne struje u alatkama 15 do 25 m/s. Praktični rezultati su pokazali da se vodoravno (radijalno na dnu bušotine) kretanje šljunka osigurava brzinom toka vode 1,5 m/s ili zračnom strujom prosječne brzine 20 do 38 m/s.

Primjena rotacijske metode bušenja s obrnutim smjerom isplake bez pomoći zraka općenito je otežana pri izradi bušotina dubljih od 100 m, bez obzira na dubinu razine podzemne vode u tlu. Zato se preporučuje kod ovog načina bušenja korištenje mamut crpke (aeir-lifta) s dovodom zraka dovoljno duboko u bušaćim alatkama. Za osiguranje djelotvorne cirkulacije isplake i efikasne izrade bušotine, potreban je uron zračnih cijevi (označeno «s» na slici 3-26) koji treba biti 65% do 75% ili najmanje 50% visine dizanja vode s krhotinama. Verificiranje ovog uvjeta provodi se analiziranjem karakterističnih pokazatelja pomoću slijedeće jednadžbe:

S ּ 100s = ————— (%) (3-2) S + L

Slika 3-26: Presjek bušaćih alatki za izvedbu dubljih bušotina velikog promjera indirektnim smjerom isplake.

1 – stupnjevito dlijeto, 2 – bušaće šipke, 3 – ulaz zraka, 4 – mješavina isplake i komprimiranog zraka, 5 – uvodna kolona, 6 – dovod komprimiranog zraka u alatke,

7 – rotacijski stol, 8 – tok prema isplačnim spremnicima, 9 – isplačna glava za zrak i isplaku, 10 – izlivno crijevo, 11 – uže na kojem vise alatke, 12 – dovod zraka iz kompresora, 13 – uliv isplake iz spremnika, 14 – smjer optoka isplake, L – visina dizanja fluida mjereno od statičke

razine podzemne vode do vrha isplačne glave, S – uron zračnih cijevi.

Za bušenje tvrđih naslaga planira se brzina kontinuiranog bušenja 1,5 do 3 m/h pri čemu se osigurava protok;

ｑ= 750 ּ Dd, (3-3)ili najmanje: ｑ min = 150 ּ Dd (3-4)

Brzina uzlaznog fluida u bušaćim šipkama ovisi o protoku, unutrašnjem promjeru šipki a brzina radijalnog toka fluida na dnu bušotine ovisi o količini fluida u optoku, radijusu dlijeta i prosječnoj visini kućišta dlijeta od dna bušotine.

Za bušenje mekših naslaga koriste se lopatičasta dlijeta i žrvnjevi adekvatno konstruirani i raspoređeni kako bi se osigurao radijalni tok fluida. Za tvrđe naslage koriste se isključivo kolutičasta dlijeta odgovarajuće konstrukcije. Dlijeto velikog promjera je obično stupnjevitog oblika, slično pilotskim dlijetima (slika 2.35).

Na slici 2.35. shematski je pokazana oprema i alatke za bušenje vodoravno i kosih tunela s popisom glavnih komponenti postrojenja.

Slika 3-27: Ilustracija dijela opreme za bušenje većih promjera iz tunela, nastupno u jednom postupku vodoravno (a) i pod kosim kutevima (b), te poteznim proširivanjem kroz prethodno

izvedenu bušotinu(c).1 – spiralne alatke za predbušivanje, 2 – napredujući proširivač, 3 – povratni proširivač, 4 – mjenjač brzine, 5 – davanje osnog opterećenja, 6 – bušaće šipke, 7 – oslonac, 8 – šipke za vođenje alatki, 9 – vodeće kolo, 10 – centralizer, 11 – postolje postrojenja za bušenje, 12 –

pogonski motor.

3.2.5. UPOTREBA BUŠAĆEG ČEKIĆA NA DNU - DTH (Down the Hole Hammer – čekić na dnu)

Ova metoda bušenja se zasniva na razrušavanju stijene djelovanjem udaraca na dlijeto i rotacije dlijeta na samom dnu u bušotini. Komprimirani zrak, isplaka ili komprimirani zrak s pjenom koristi se za čišćenje dna bušotine (slika 3-28). Udarci na dlijeto i njegova rotacija ostvaruje se pomoću specijalnog bušaćeg čekića neposredno iznad dlijeta za bušenje (slika 3-29 i 3-30). Na bušaći čekić djeluje energija komprimiranog zraka ili hidraulička. Nije dakle, potrebna dodatna oprema niti energija za čišćenje dna bušotine i iznošenje čestica razrušene stijene.

Čekićem se postiže vrlo veliki broj udaraca na dlijeto (300 do 800 udaraca/min.). Veći broj udaraca uvjetuje: a) veće mehaničke brzine bušenja, b) relativno duži vijek trajanja dlijeta i c) potrebnu okomitost bušotine. DTH dlijeto (slika 3-30 i 3-31) okreće se 18 do 30 puta u minuti pri minimalnim osnim opterećenjima. Broj udaraca ovisi o tlaku komprimiranog zraka, odnosno isplake. Povećavanje tlaka ipak je ograničeno troškovima izraženim po tekućem metru bušenja. Broj okretaja dlijeta podešava se prema praktičnom pravilu za postizanje optimalne mehaničke brzine bušenja pri kojoj dlijeto napreduje 12 mm/okretaju i u najtvrđim stijenama.

Slika 3-28: Shema bušenja s čekićem na dnu – DTH uz upotrebu krute pjene1 – Osnovno postrojenje s dovodom komprimiranog zraka i pjene, 2 – rotacijski stol, 3 –

vodilica alatki, 4 – bušaće šipke, 5 – bušaći čekić na dnu – DTH, 6 – dlijeto na DTH;* - smjer toka zraka i čvrste pjene u alatkama,

** - odvajanje čestica stijena iz optoka,*** - uzlazni tok zraka i pjene s česticama stijena u prstenastom prostoru,

Mehanička brzina bušenja ovim načinom razmjerna je tlaku stlačenog zraka. Brzina bušenja povećava se s povećanjem tlaka zraka kojim se regulira broj udaraca u dlijeto. Troškovi bušenja pri povećavanju mehaničke brzine mogu se toliko povećati da se često puta ne isplati povećavanje tlaka jer je skupa nabavka kompresora s više stupnjeva zraka, a korištenje većeg kompresora zahtijeva veće troškove pogona i održavanja.

Ulazne brzine zračne struje u prstenastom prostoru trebaju biti veće od 15 m/s, kako je navedeno kod već opisanog načina rotacijskog bušenja konvencionalnim alatkama s ispuhavanjem suhim zrakom. Udovoljavanju tog uvjeta, pored ostalog, pomaže i povećanje promjera bušaćih alatki, kako bi se smanjila površina poprečnog presjeka prstenastog prostora i time povećala brzina uzlaznog zraka sa krhotinama razrušene stijene.

Slika 3-29: Postrojenje za bušenje čekićem – DTH na gusjenicama1 – Dlijeto na čekiću DTH, 2 – bušaći čekić na dnu DTH, 3 – bušaća šipka, 4 – pogon rotacijskih alatki, 5 – osno opterećenje alatki lancem, 6 – postolje na gusjenicama, 7 –

skupljač prašine.

Pneumatički čekić na dnu ima veliku primjenu za bušenje bunara u najtvrđim stijenama s pukotinskom propusnošću gdje se obično izostavlja ugradnja filtera.

Postoje brojne konstrukcije čekića različitih masa kao i broja udaraca u jedinici vremena. Koriste se brojne konstrukcije dlijeta i pomoćnih alatki za izradu bušotina radi miniranja i razrušavanje blokova stijene (demolatori).

Pri odgovarajućim dotocima vode u bušotinu tokom bušenja ovim načinom, preporučljiva je primjena pjenušavaca s polimerima ili s bentonitom.

Slika 3-30: Shema rada čekića na dnu COP 42 (Atlas Copco)1 – gornji prijelaz za spajanje s alatkama, 2 –kontrolni ventil, 3 – kontrolna cijev,

4 – prigušni čep, 5 – klip, 6 – prsten, 7 – udarač

Slika 3-31: Dlijeto za bušaći čekić na dnu (DTH) u dvije projekcije za tvrde stijene

Bušaći čekić se na dnu podmazuje specijalnim uljem koje se injektira posebnom crpkom u ulaznu zračnu struju u tlačni vod na postrojenju za bušenje. Dodatak ovog ulja poboljšava neophodnu nepropusnost alatki na spojevima, pri čemu je manji gubitak zraka, a alatke imaju duži vijek trajanja jer se manje habaju.

3.2.6. BUŠENJE OSTALIM NAČINIMA

Postoje i druge mogućnosti djelotvornog bušenja koji nisu dosad spominjani. Neke se metode još proučavaju i ispituju u laboratorijama, u pokusnim bušotinama na terenu ili se ograničeno primjenjuju na projektima širom svijeta.

3.2.6.1.VODORAVNO BUŠENJE

Vodoravno bušenje na velike dubine, obično je nastavak uspravnih bušotina, a rjeđe nastavak zakrivljeno usmjerenih bušotina. Na slici 3-32 dan je jedan sklop bušaćih alatki za zakrivljeno bušenje kojima možemo upravljati. Najčešće se tu koriste helikoidalni-vijčani motori, čije se brzine okretanja dlijeta i zakretni momenti mogu djelotvorno regulirati, što nije slučaj kod turbinskih i elektro bušilica.

Slika 3-32: Sklop bušaćih alatki za upravljano zakrivljivanje bušotine1 – telemetrijski sistem, 2 – stabilizator, 3 – uronjeni motor, 4 – spojnica s dvostrukim zakošenjem, 5 – sklop ležajeva sa stabilizatorom, 6 – dlijeto, 7 – ugao otklona dlijeta.

Vodoravne bušotine imaju posebno djelotvornu primjenu kod dobivanja nafte i plina iz tanjih kolektora koji blago zaliježu u većim dubinama jer se iz njih dobiva veća proizvodnja i potpunije crpljenje ugljikovodika u odnosu na okomite bušotine.

3.2.6.2. SPIRALNO SVRDLO

Spiralno svrdlo sa spiralnim alatkama (šipkama) za bušenje pokazano je na slici 3-33. Ove se alatke koriste na postrojenjima za rotacijsku metodu bušenja u uvjetima u kojima je djelotvorno mehaničko čišćenje dna bušotine ovim specijalnim alatkama za izradu bušotina, a osigurava se veća rentabilnost bušenja, bolja kvaliteta bušotine i manji rizik u izradi bušotine nego drugim načinima. Spiralno svrdlo sa spiralnim alatkama koristi se često i za ručnu izradu plitkih bušotina. Postoje, međutim, u svijetu savremena bušaća postrojenja na kojima se

koriste ove alatke radi: izrade istražnih bušotina, manjih bunara, miniranja, sadnje voćki, postavljanje stupova, pilota za temeljenje i za druge namjene.

Slika 3-33: Alatke za bušenje u različitim uvjetimaa) dlijeto za bušenje većeg promjera spiralnim alatkama, b) dlijeto za bušenje manjih

promjera spiralnim alatkama, c- šipka za spiralno bušenje, d – šapa za mekane naslage, e – specijalna alatka za vađenje tvrdih samaca sa dna.

Kod izrade plićih bušotina u mekšim naslagama, krhotine razrušene stijene iznose se ručnim vađenjem alatki, čišćenjem spiralnog dlijeta na površini korištenjem specijalnog alata ili mlaza vode. Kod izrade bušotina mehaničkim postrojenjem i spiralnim alatkama u tvrđim stijenama radi miniranja, materijal se kontinuirano iznosi na površinu na spiralama alatki (pužno).

3.2.6.3. BUŠENJE SA ŠAPOM NA RADNOJ ŠIPKI

Bušenje sa šapom na radnoj šipki koristi se za izradu bušotina, plićih bunara i pilota za temeljenje u mekanim, pretežno glinovitim naslagama. Radna šipka na odgovarajućem postrojenju teleskopski se izdužuje s napredovanjem bušenja, a skraćuje prilikom iznošenja krhotina razrušenih stijena radi čišćenja dna. Rotacijom radne šipke sa šapom na dnu obavlja se napredovanje bušotine i istovremeno punjenje šape s krhotinama razrušene stijene. Nakon punjenja alatka se mehanički iznosi s dna na površinu, prazni se od krhotina i ponovno vraća na dno bušotine radi nastavka procesa bušenja (slika 3-34).

Laganim okretanjem i utiskivanjem šape izvodi se kanal bušotine do konačne dubine. Za održavanje stijenki bušotine do konačnog zacjevljenja odnosno ugradnje, koristi se bentonitska isplaka ili pak jače zaglinjena voda, što ovisi od danim uvjetima i potrebama na mjestu primjene ove metode bušenja.

Slika 3-34: Mobilno postrojenje za bušenje bunara ili pilota upotrebom šape3.2.6.4. BUŠENJE TANGENCIJALNIM ISKRAMA

Bušenje tangencijalnim iskrama koristio je Titkov sa suradnicima za izradu bušotina. Električni luk između elektroda (anoda i katoda) raspoređenih po sferičnom obodu alatke za bušenje (slika 3-35) uvjetovao je stvaranje usmjerenog toka iskri i ioniziranih plinova visoke temperature. Iskre djeluju u vodi pri tlaku od 104 do 105 bara. Ove iskre u vodi traju 5 do 50 mikrosekundi i koriste se i kao komercijalni seizmički izvori za oblikovanje metalnih predmeta. Ovako visoke energije nisu djelotvorne za razrušavanje stijena jer je zrak vrlo tlačiv pa se veći dio energije troši na stlačivanje samo zraka.

Prilikom ispitivanja ove metode bušenja korišten je električni kondenzator kapaciteta 0,26 mF punjen (nabijan) 330 puta u minuti na napon od 50 kV proizvodeći pritom snagu 1.765 W. Ovim postupkom izrađena je bušotina 21 mm promjera u dolomitu otpornosti na tlak 22 MN/m2, bušena brzinom 0,67 cm/min. Što odgovara specifičnom utrošku energije od 465 joula/cm3 razrušene stijene (dolomit).

Slika 3-35: Bušenje tangencijalnim iskrama1 – katode, 2 – anode, 3 – ulaz isplake, 4 – iskre u isplaci

3.2.6.5. BUŠENJE TEKUĆIM EKSPLOZIVOM

Bušenje tekućim eksplozivom je metoda izrade bušotina koju je razvio Ostrovski. Tri se tvari – gorivo (eksploziv), kisik i inicijalna tvar, dovode pomoću tri dovoda u detonacijsku komoru i automatski miješaju (slika 3-36). Dinamika ulazaka pojedinih tvari u komoru kontrolira se podešavanjem presjeka dovoda, te rasporedom i oblikom njihovih ispusta u bušaćoj alatki. Diferencijalni tlak stvoren fluidom za ispiranje dna bušotine djeluje u procesu bušenja na pomak klipa u dva krajnja položaja. Tako klip utiskuje gorivo, oksidirajuću i detonirajuću tvar u komoru na dnu bušotine osiguravajući tako eksplozivnu smješu i eksploziju.

Rezultirajuća eksplozija povećava tlak na dnu bušotine i prekida dotok komponenti do slijedećeg sniženja tlaka, dotoka i slijedeće eksplozije. Proces dovođenja komponenti i stvaranja eksplozivnih smješa te eksplozija, ponavlja se ciklički. Različite varijante ovog bušenja koriste punjenje 3 do 20 grama eksploziva, a učestalost je 150 do 2500 eksplozija u minuti. Korištenjem tekućeg eksploziva postižu se veće razorne snage. Punjenja (kapsule) od 50 grama, uz učestalost od 12 eksplozija u minuti odgovara utrošku od 600 grama eksploziva u minuti.

Prilikom pokusa u 200 m dubokoj bušotini ispunjenoj vodom pojavile su se teškoće u cirkulaciji isplake. Da bi se usavršio postupak bušenja tekućim eksplozivom, trebalo bi osigurati 500 detonacija od 10 grama eksploziva u minuti radi dobivanja snage od 420 kW. To bi zahtijevalo utrošak od 300 kg/sat eksploziva, pa se ova metoda ne preporučuje za bušenje plićih bušotina.

Slika 3-36: Bušenje tekućim eksplozivom1 – dovod isplake, 2 – dovod kisika, 3 – gorivo, 4 – dovod goriva, 5 – detonacijska komora, 6

– kemijski inicijator, 7 – oksidirajuća tvar, 8 – dvoetapni klip, 9 – unutrašnji cjevovod.

3.2.6.6. ULTRA-ZVUČNE ALATKE

Ultra-zvučne alatke se koriste za rentabilno bušenje tvrdih stijena i obradu dijamanata, grnčarije i brojnih tvrdih legura kako je shematizirano na slici 3-37. Ultrazvučno bušenje koristi jezgru u kojoj su oscilacije 20 do 30 kHz u električnom ili magnetskom polju. Korištenjem rezonantnog koničnog roga prije sjekača, amplituda ovih vibracija se povećava za 10 do 100 puta. Zajednička dužina roga i sjekača tačan je višekratnik dužine poluvala frekvencije, tako da se u rogu stvara stojeći sistem valova.

Vibrirajući sjekač razrušava stijenu koristeći dva djelovanja: a) kavitaciju i b) abraziju. Odašiljač (emiter) prenosi energiju okolnoj vodi iz koje ključaju mjehurići (kavitacija), mjehurići idu prema stijeni i raspadaju se. Tako se stvara nagli podtlak (implosion) koji mikroskopski razrušava površinu stijene. Mikro pukotine se razvijaju oko stijenskih zrna, olabavljuju međusobne veze u stijeni i uzrokuju rušenje stijene pri tlaku od 5 do 7 bara. Ova metoda se, dakle, ne može primjenjivati za izradu dubljih bušotina zbog hidrostatičkog tlaka.

Tvrde abrazivne čestice (borovog karbida ili karborunda) se dodaju ispod alatke radi stvaranja suspenzije abrazivnih krhotina oko sjekača. Turbulencija uvjetovana kavitacijom dovodi abrazivne krhotine ispod sjekača, koji im daje veliko ubrzanje u smjeru stijene. Velika brzina abrazivnih čestica razrušava i čisti stijenu na dnu bušotine. Brzina ultrazvučnog bušenja povećava se s povećanjem amplitude vibracija i veličine abrazivnih čestica. Brzina bušenja u vodi je 3 puta veća nego u ulju za podmazivanje i 15 puta veća nego u finom ulju. Pri pokusima ove metode postignuta je brzina bušenja u natrijskom staklu 2 cm/min pomoću abrazivnih čestica bor-karbida 0,15 mm veličine, a 1,3 cm/min u istom staklu pomoću abrazivnih čestica korunda 0,069 mm veličine.

Slika 3-37: Ultrazvučno bušenje1 – električni dovod, 2 – isplaka, 3 – namotaji, 4 – jezgra s magnetskom pobudom, 5 –

odašiljač, 6 – abrazija i odlamanje čestica stijena.

3.2.6.7. ELEKTRIČNO RAZRUŠAVANJE

Električno razrušavanje korišteno je za bušenje vapnenca, betona i nekih drugih materijala (slika 3-38). Ovdje se prenosi niskofrekventna struja (60 Hz) pomoću oštrice dlijeta na stijenu. Dlijeto se lagano okreće dok komprimirani zrak čisti dno bušotine i stvara visoki temperaturni gradijent u stijeni. Ovakvi temperaturni gradijenti stvaraju termičke udarce u stijeni i razrušavaju je u sitne čestice. Istraživanjima su dobiveni slijedeći operacijski podaci korištenja ove metode:

– promjer bušenja 2,5 – 5,1 cm,– električni napon 600 – 1.100 V,– jačina struje 2 – 10 A,– frekvencija napona 60 Hz,– snaga 1,2 – 11 kW,– faktor snage 0,93 – 1,06,– brzina rotacije 90 o/min,– opterećenje dijeta 110 – 120 N,– brzina bušenja (beton) 8 – 64 cm/min.

Slika 3-38: Bušenje električnim razrušavanjem1 – električne strujnice, 2 – zona grijanja, 3 – zona hlađenja, 4 – isplaka, 5 – dovod

električnog napona.

3.2.6.8. TERRA JETTER

Pregrijana para na temperaturi 250 do 500 0C, pri tlaku od 40 do 60 bara zagrije stijenu za tri minute na temperaturu od približno 300 0C i nakon toga, ugrijana stijena se škropi tekućim azotom temperature od –196 0C. Ovakva nagla promjena temperature uzrokuje razrušavanje stijene termičkim šokom. Parom manjeg pritiska (10-18 bara) čisti se dno bušotine od smrvljene stijene i ponovo zagrijava stijena. Ciklusi grijanja – hlađenja uvjetuju i rekristaliziranje nekih minerala u stijeni što također pomaže razrušavanju stijena.

Procjenjuju se brzine bušenja Terra-Jetter metodom: a) do 18 cm/min u srednje tvrdim stijenama i b) 5 cm/min u najtvrđim granitima. Ako ciklus zagrijavanja traje 3 minute, onda bušotina napreduje 15 do 54 cm za svaki ciklus grijanja – hlađenja, što se teško postiže u praksi.

Slika 3-39: TERRA-JETTER bušenje1 – pregrijana para, 2 – tekući dušik, 3 – krhotine razrušene stijene, 4 – stijena koja se

razrušava.

3.2.6.9. MIKROVALNO BUŠENJE

Mikrovalno bušenje shematski je prikazano na slici 3-40. Stijenu je moguće zagrijavati mikrovalovima frekvencije 1.000 do 3.000 MHz. Tu magnetron služi za proizvodnju ultra-kratkih valova koji se usmjeravaju prema stijeni na dnu bušotine. Magnetron je ovdje vakumirana cijev u kojoj se kreću ioni od zagrijane katode prema anodi, a njihovimkretanjem (ultrakratki valovi) upravlja se magnetskim poljem.

Pad električnog napona je razmjeran frekvenciji elektro-magnetskih valova pa to grije i lomi stijenu vrlo brzo. Veća je frekvencija ove metode bušenja nego visokofrekventnog električnog bušenja kod kojeg su elektrode u kontaktu sa stijenom. Steudel je detaljno studirao mehanizam grijanja i razrušavanja stijene mikrovalovima koristeći dva megatrona snage 2 do 2,5 kW svaki, dobivajući tako mikrovalove frekvencije 2.400 MHz snage 4,8 kW.Blok pješčenjaka dimenzija 1m x 1m x 0,5m razrušavan je 5 do 15 minuta s utroškom energije 3 do 9 joula/cm3. Slabo je djelovanje ovog postupka u dubljim bušotinama u kojima je korištenje energije svega 30 do 60%.

Slika 3-40: Mikrovalno bušenje1 – električni dovodi, 2 – isplaka, 3 – magnetron, 4 – radarska zraka, 5 – vodilica vala, 6 –

proširivač.

3.2.6.10. METODA INDUKCIJSKOG BUŠENJA

Metoda indukcijskog bušenja primjenjiva je za izvedbu bušotina u tvrdim stijenama visoke magnetske susceptibilnosti (osjetljivosti). Na slici 3-41 shematski je pokazano zagrijavanje stijene magnetskim poljem, odnosno gubicima učestalih magnetiziranja i induciranja vrtložnih struja u stijenama. Gubicima zbog histereze i simultanog stvaranja vrtložnih struja u heterogenim stijenama griju se i razrušavaju minerali velike magnetske susceptibilnosti, dok se minerali manje magnetske susceptibilnosti u stijeni griju uglavnom provođenjem toplote. Ovakve stijene razrušavaju se velikim toplinskim gradijentima i razlikama u intenzitetu širenja zagrijavanjem (dilatacije) minerala koji čine stijenu.

Slika 3-41: Indukcijsko bušenje1 – električni dovodi, 2 – isplaka, 3 – proširivač, 4 – indukcijski svitak 5 – indukcijsko

grijanje, 6 – strujnice.

Kravchenko je koristio indukcijski svitak promjera 9 cm (240 kHz) za lomljenje blokova željeznog kvarcita 5 do 540 kg. Prve pukotine pojavile su se nakon 7 do 90 sekundi. Blokovi su razrušeni u tri ili četiri dijela nakon 1 do 14 minuta. Specifični utrošak energije iznosio je 50 joula/cm3 za velike blokove, a do 190 joula/cm3 za male blokove.

3.2.6.11.BUŠENJE ELEKTRIČNIM GRIJAČEM

Bušenje električnim grijačem, pokazano na slici 3-42 koristio je Armstrong u bazaltu i granitu. Upotrijebio je iridijum kao grijač, vodu kao rashladni fluid i helijum (plin) brzine 20 m/s za ispuhavanje čestica razrušene stijene. Osno opterećenje alatke je iznosilo 2 do 4 kN pri temperaturi od 1.2000C do 1.6000C. Tako je u bazaltu izvedena bušotina promjera 5,1 cm

brzinom 1,2 cm/min. Pomoću električnog grijača snage 5 kW. Specifični utrošak energije bio je 12.300 joula/cm3 u kompaktnom bazaltu, a samo 5.000 joula/cm3 u nekompaktnom bazaltu.

Slika 3-42: Bušenje električnim grijačem1 – dovod vode, 2 – plin, 3 – električni dovodi, 4 – izlazna cijev, 5 – voda za hlađenje,

6 – iridij-žica, 7 – istopljena stijena, 8 – peta od tvrde legure, 9 – bor-nitrid, 10 – povratni tok.

3.2.6.12. BUŠENJE UPOTREBOM VOLTINOG LUKA

Bušenje upotrebom voltinog luka pokazano je na slici 3-43. Plin ioniziran na visokoj temperaturi od 20.0000C (plazma) predstavlja plamen kojim se mogu bušiti stijene ili zavarivati metali. Plazma je ovdje plin helija ioniziran pozitivno nabijenim ionima i elektronima djelovanjem visokih temperatura proizvedenih korištenjem voltinog luka.

Plin helij prolazi brzinom 200 do 8.000 m/s između dviju elektroda (voltin luk) pri čemu se stvara plamen (plazma) upotrebljiv za razrušavanje stijena.

Bouche je upotrijebio ovu metodu za razrušavanje mramora, vapnenca, granita i bitumenoznih škriljaca. Kada je stijena bila 2,5 cm udaljena od voltinog luka, plamen je imao na površini stijene temperaturu 1.8000C. Penetriranjem u stijene, plamen je smanjivao svoju temperaturu pa je rušen samo površinski dio vapnenca i mramora, pretvarajući kalcijev karbonat (CaCO3) u kalcijev oksid (CaO) već na temperaturi od 895 0C. Kalcijev oksid se tali na temperaturi od 2.600 0C a kalcijev oksid istaljen na nižim temperaturama formira zaštitni sloj na površini stijene.

Plaen je svojim termičkim djelovanjem stvorio napone za rušenje bloka vapnenca dimenzija 30 cm x 15 cm x 9 cm. Plamen je bio najdjelotvorniji u granitu u kojem je stvoren konični krater 1,3 cm dubine 5,1 cm promjera za vrijeme od 60 sekundi. Temperatura plazme na dubini 1,3 cm snižena je ispod potrebne temperature za rušenje stijene pa je prekinuto napredovanje bušotine. Pri snazi voltinog luka od 1,55 kW, utrošak energije je bio 7.700 joula/cm3. Procjenjuju se utrošci energije za bušenje u granitu 1.500 do 5.000 joula/cm3.

Plamen temperature od 3000C do 6000C može se uspješno koristiti za omekšavanje stijena koje se nakon toga lakše razrušavaju mehaničkim postupkom.

Slika 3-43: Bušenje upotrebom plazme1 – dovod istosmjerne struje, 2 – plin helijum, 3 – isplaka, 4 – proširivač, 5 – plazma, 6 –

električni luk.

3.2.6.13. LASERSKO BUŠENJE

Laseri za lasersko bušenje u bazaltu i granitu proizvode koherentne zrake svjetla koje se mogu usmjeriti (fokusirati) i proizvesti snagu jaču od 106 MW/cm2 u bazaltu i granitu. Ova se snaga može upotrijebiti za topljenje bilo koje krute tvari i za razrušavanje stijena (slika 3-44).

Prema kvantnoj teoriji atomi se dugo razdoblje nalaze u jednom od posebnih stanja u kojem ne emitiraju energiju. Svako od ovih stanja odgovara određenoj količini energije. Kad atom mijenja svoje energetsko stanje, apsorbira ili emitira foton energije, što ovisi o pravcu i

veličini promjene energetskog stanja atoma. Energija jednog fotona E razmjerna je frekvenciji radijacije f i Plankovoj konstanti h: E = h ּ f

Laserska se zraka proizvodi uzbuđivanjem grupe atoma elektro-magnetskom energijom da atomi pređu u više energetsko stanje, snižavajući potom svoje energetsko stanje. Kada se snižava energetsko stanje atoma, proizvedu se fotoni energije iste frekvencije i koherentne zrake svjetla.

Kristali rubina, koji se obično upotrebljavaju za kristal-lasere, uzbuđuju se snažnim bljeskovima svjetla. Više od 99% energije za uzbuđivanje troši se na hlađenje fluidom. Zato se ovi laseri mogu koristiti samo za kratke bljeskove. Kristali se moraju točno obraditi i vrhovi kristala posrebriti kako bi djelovali kavitacijski rezonantno zbog povećanja radijacije.Friedlander je objavio operacijska svojstva za veći kristal-laser koji proizvodi bljeskove 100 joula/1 mili-sekundu trajanja svake 2 sekunde. To odgovara trenutačnim snagama od 10 kW uz prosječnu snagu svega 50 W. Dužina valova je 0,69 mikrona, učestalost je 30 bljeskova u minuti s trajanjem od 1 ms. Energija bljeska je 100 joula i djelotvornost svega 0,1 do 1%.

Slika 3-44: Lasersko bušenje1 – električni dovodi, 2 – isplaka, 3 – kristal ili plin, 4 – proširivač, 5 – leće, 6 – površina za

usmjeravanje svjetla, 7 – koncentrirana zraka svjetla.

3.2.6.14. HEMIJSKO BUŠENJE

Kemijsko bušenje na žici (wireline) za razrušavanje stijena pokazano je na slici 3-45.Električnim upaljačem uništi se pregrada između komore s komprimiranim plinom i komore s fluorom. Komprimirani zrak tlači fluor ili neku drugu hemijski reaktivnu tvar preko katalizatora, proizvodeći tako mlaz velike brzine hemikalije koja otapa stijenu. Nakon ovog postupka alatke se dižu na površinu, ponovno pune hemikalijama, spuštaju se na dno i postupak se ponavlja.

Ovaj postupak nema veliku primjenu za bušenje jer su velike cijene hemikalija a rukovanje s velikim količinama osjetljivih hemijskih tvari predstavlja značajne teškoće.

Slika 3-45: Hemijsko bušenje1 – olovne pločice za zagrijavanje, 2 – zatvarač (ruši se detonacijom), 3 – katalizator (specijalna legura), 4 – komprimirani plin, 5 – fluor, 6 – mlazovi velike brzine koji

razrušavaju stijenu

Mogućnosti korištenja različitih postupaka bušenja stijena objavili su Maur Heilhecker sa razrađenim postupkom računanja utroška energije i ohrabrujućim mogućnostima primjene novih metoda. Dobiveni rezultati brzine bušenja za svaku od intenzivnije ispitivanih metoda bušenja, uspoređeni s vrijednostima pokazatelja dobivenih ispitivanjem bušenja standardnom rotacijskom metodom u srednje tvrdim stijenama, pokazani su u tabeli 3-1.

Tabela 3-1: Procjena brzina bušenja različitim načinima u srednje tvrdim stijenama

Metoda bušenja Status primjeneSpec. utrošakener., joul/cm3 Snaga, kW

Moguće brzineBušenja, cm/min.

Rotacijska Vrlo velika 200 - 500 20 - 30 14 - 85

Turbinska Znatna 400 -1300 30 - 40 4 - 14Laserska Neznatna 1500 12 - 24 1 - 2Mikrovalno Neznatna 1500 10 - 20 1 - 2Indukcijska Neznatna 1500 5 - 10 0,5 – 1,0Ultrazvučna Laboratorij 20000 5 - 10 0,04 – 0,07El. grijačem Laboratorij 1500 45 - 90 4 - 8Erozijska Laboratorij 2000 - 4000 1000 - 2000 35 - 140Plazma Laboratorij 5000 80 - 120 2 - 3

3.2.7. OSNOVNI PRINCIPI METODA BUŠENJA

3.2.7.1. OSNOVNI PRINCIPI UDARNE METODE BUŠENJA

Korištenje slobodnog pada alatki s oštrim sjekačem princip je razrušavanja stijena udarnom metodom bušenja ( slika 3-46). Rezanjem pomoću lopatičastih dlijeta, rezanjem i struganjem stijena pomoću dijamantskih dlijeta te rezanjem, gnječenjem, odlamanjem i drobljenjem pomoću žrvanjskih dlijeta postiže se razrušavanje stijena rotacijskom metodom bušenja (slika 3-47).

Na temelju ispitivanja bušotina izvedenih rotacionom, udarnom i rotacijsko-udarnom metodom bušenja dlijetom promjera 18 mm s kojim se prodire 100 mm duboko, White je dao indekse bušivosti velikog broja stijena od vrlo mekanih do najtvrđih takonita.

Granična čvrstoća na tlak i bušivost stijena, različite su za svaku vrstu stijena u kojima se izvodi bušenje.

Slika 3-46: Princip razrušavanja stijene u bušotinia – stijena je razrušena udarcima dlijeta, b – porni je tlak u stijeni neznatan pa se razrušene

krhotine sporo odvajaju od stijene, c – porni tlak i vodopropusnost stijene su neznatne vrijednosti u odnosu na hidrostatički tlak isplake, i d – razrušene se čestice brzo odvajaju od

stijene na dnu bušotine, jer je vodopropusnost velika a porni tlak dovoljno velik.

Bušivost stijene je oprečna vrijednost otpornosti stijene drobljenju, a obično se izražava brzinom bušenja, koju su pokušali izraziti jednačinama brojni znanstvenici. Maurer je istraživao brzinu bušenja u odnosu na uvjete očišćenosti dna od razrušenih čestica u plićim bušotinama izrađivanim žrvanjskim dlijetom i tako izveo sljedeću jednadžbu:

n G2 (3-5) v = k ——— D2 σ2

Konstanta «k» uključuje niz faktora koji utječu na brzinu bušenja uključujući i svojstva fluida za čišćenje dna bušotine, stanje pornog pritiska, oblik dlijeta i brojne druge faktore.

Proučavana je i anizotropnost stijena i njen utjecaj na brzinu bušenja i devijaciju bušotine u ovisnosti o orijentaciji uzorka anizotropne stijene. Istraživanja bušivosti heterogenih stijena pokazuju da se mekše komponente stijene lakše buše od tvrđih komponenti (minerala).

Slika 3-47: Princip djelovanja jednostavnih alatkia – alatka za kopanje jaraka u mekanom tlu, b – ručna alatka za izradu plitkih bušotina u

mekanom tlu (rotacijsko), c – spiralne alatke za bušenje rotacijskom metodom, i d – razrušavanje tla i čišćenje razrušene stijene mlazom fluida.

Djelotvornost udarnog bušenja ovisi o masi radnog dijela alatki, krajnjoj brzini slobodnog padanja alatki koja je uvjetovana visinom pada alatki, učestalosti čišćenja dna, kvaliteti dlijeta, broju udaraca u jedinici vremena i broju udaraca za jedan puni okret alatki.

Kinetička energija aktivnog dijela alatki za udarno bušenje ovisi o masi alatki i brzini njihovog padanja;

m v2 Ek = ——— (3-6) 2

Krajnja (najveća) brzina padanja alatki na dno bušotine kroz krhotine stijene razmuljene u vodi može se izračunati na slijedeći način; v = √ 2 H gr (3-7)

Vrijednost ubrzanja alatki kroz razmuljene čestice na dnu bušotine manja je od srednje vrijednosti gravitacijskog ubrzanja . Dok je g = 9,81 m/s2 ispitivanjima je utvrđena vrijednost gr = 5,5 do 6,5 m/s2 za uobičajene uvjete na dnu bušotine.

Kinetička energija se može izraziti korištenjem vrijednosti krajnje brzine izražene u jednačini 3-7 i slijedećim izrazom:

m v2 G 2 H gr gr

——— = —————— = G H ——— (3-8) 2 2 g g

Kinetička energija mase radnog dijela padajućih alatki troši se na: rušenje stijene na dnu bušotine i trošenje alatki. To se može izraziti sljedećom jednačinom:

G H gr Fu h Fu λ (3-9) ———— = ——— + ——— g 2 2

Fu L λ = ——— (3-10) J Ap

G = m g (3-11)

G Ap = ——— (3-12) ρ g L

Zamjenom vrijednosti λ u jednačini 3-9 izrazom 3-10 imamo slijedeći izraz:

G H gr Fu h Fu2 L

———— = ——— + ——— (3-13) g 2 2 J Ap

Slika 3-48: Shema djelovanja dlijeta (udarna metoda) na dnu bušotine

Za računanje mase (G) radnog dijela alatki potrebno je prethodno znati zahtijevanu vrijednost sile udarca alatki na dno (Ru). Na slici 3-48 shematski je pokazano dlijeto za udarno bušenje utisnuto u stijenu za dubinu (h) djelovanjem sile udarca (Fu). Za vrijeme utiskivanja dlijeta savladana je otpornost stijene gnječenju (Fg) i sila trenja (Ft). To se može izraziti slijedećim izrazom:

Fu = Fg + Ft (3-14)

Sila gnječenja (Fg) može se izraziti i slijedećom jednačinom:

Fg = Ao + σk (N) (3-15)

Ao = a D (m2) (3-16) a α — = h tg — (m) (3-17) 2 2

Uvrštenjem vrijednosti iz jednadžbi 3-16 i 3-17 u jednadžbu 3-15 imamo sljedeći izraz:

α Fg = 2 h D σk tg — (N) (3-18) 2

Sila Fg zapravo je rezultanta dviju komponenti (Fg1) koje su suprotnog smjera od smjera napredovanja dlijeta (slika 3-48). Ovo se može izraziti sljedećom jednačinom: α Fg = 2 Fg1 sin — (N) (3-19) 2

Sređivanjem jednadžbi 3-18 i 3-19 dobivamo: Fg h D σk Fg1 = —————— = —————— (N) (3-20) α α 2 sin — cos — 2 2

Sila trenja (Ft) može se izraziti pomoću vrijednosti sila Fg1 i koeficijenta trenja oštrice dlijeta (f):

α Ft = 2 f Fg1 cos — = 2 f h D σk (N) (3-21) 2

Zamjenom dobivenih vrijednosti za sile Fg i Ft u jednačini 3-14 imamo slijedeći izraz za silu udarca alatki na dno:

αFu = 2 h D σk ( tg — + f) (N) (3-22) 2

Zamjenom izraza u zagradi u ovoj jednačini s koeficijentom k, nakon sređivanja dobivamo:

α αk = tg — + f = tg — + tg β (3-23) 2 2

te izraz:

Fu = 2 h D σk k (3-24)

Istraživanjem su utvrđene vrijednosti koeficijenata trenja (f), koje se za kvarcite kreću od 0,35 do 0,45, za pješčare od 0,25 do 0,4 i za vapnence od 0,1 do 0,3. Ugao oštrice dlijeta formira se ovisno o bušivosti stijene. Oštrica dlijeta formira se za rad u najčvršćim stijenama pod uglom od 1100 do 1200, za čvrste stijene srednje tvrdoće pod uglom od 900 do 1000 i za mekane stijene oštrica dlijeta formira se pod uglom od 750 do 850.

Najdjelotvornija težina (G) radnog dijela alatki za udarno bušenje određuje se zamjenom vrijednosti sile udarca (Fu) iz jednačine 3-22 u jednačini 3-13

G H gr 2 D σk k L ———— = h2 D σk k ( 1 + ————— ) (3-25) g J Ap

Za poznatu vrijednost srednjeg promjera (d) alatki (teških šipki) za udarno bušenje (d = 0,75 D) izraz 3-25 možemo pojednostaviti na slijedeći način:

πAp = — (0,752 D2) = 0,44 D2 (3-26) 4

Zamjenom ove vrijednosti za Ap u jednadžbi 3-25 dobivamo slijedeći izraz:

g 4,5 σk k LGּH = — h2 D σk (1 + ————— ) (Nm) (3-27) gr D J

Zamjenom poznatih vrijednosti za g = 9,81 m/s2 i za gr = 6,25 m/s2 imamo nakon sređivanja slijedeću jednadžbu za projektiranje težine radnog dijela udarnih alatki:

2 ּ h2 ּ D ּσk ּ k ּKo (3-28)G = —————————— H

Pri tom se vrijednosti koeficijenta Ko određuju tabelarno za različite vrste stijena i alatke slijedećom jednačinom:

4,5 ּ σk ּ Lּ k Ko = 1 + —————— (3-29) D ּ J

3.2.7.2. OSNOVNI PRINCIPI ROTACIJSKE METODE BUŠENJA

Na slikama 3-49 i 3-50 date su sheme djelovanja zubi krune za rotacijsku metodu bušenja. Međusobno djelovanje zubi krune i stijene na dnu bušotine izražava se teorijskom ovisnošću brzine bušenja o dimenzijama krune i režimu bušenja sljedećim jednadžbama:

Opterećenje jednog od ukupno m zuba krune izražava se:

G1 = A1 ּσk (3-30)

A1= aּb = hּtgα = hּtgα (R-r) (3-31)

a = R-r (3-32) b = hּtgα (3-33)

Slika 3-49: Shema djelovanja krune na dnu bušotine, rotacijska metoda

G1

A1 = —— (3-34) σk

GG1 = —— (3-35) m

Zamjenom vrijednosti A1 iz jednadžbi 3-31 i 3-35 imamo:

G1

A1 = —— = hּtgα (R-r) (3-36) σk

Slika 3-50: Shema djelovanja jednog zuba krune na dnu bušotine, rotacijska metoda

Koristeći ovu jednadžbu, možemo napisati izraz za računanje teorijske vrijednosti dubine prodiranja zuba krune:

G1

h = —————— (3-37) tgα (R-r) σk

Napredovanje krune u vremenu pri broju okretaja i zanemarivanju otupljenja zubi krune, imamo sljedeći obrazac:

G1ּmּnּt Ht = hּmּnּt = —————— (3-38) tgα (R-r)ּσk

a teorijska brzina napredovanja:

Ht G1ּmּnּt vk = —— = —————— (3-39) t tּtgα (R-r)ּσk

Volumen zdrobljene (izbušene) mase u jednom satu za ovakvu aproksimaciju iznosi:

V = vk ּ π ּ(R2 – r2) (3-39)

Pretpostavimo li da su zubi krune istrošeni za vrijednost «y», (slika 3-50), stvarno će napredovanje bušenja «hs» iznositi:

hs = h – y (3-40) Srednja stvarna brzina izvedena je pomoću laboratorijskih pokusa i matematičke analize brzine napredovanja novog dlijeta i istupljenog dlijeta. Preporučen je slijedeći izraz:

1 G ּ nvsr = —— —————— (3-41) 3 πּtgα (R-r)ּσk

Preporučeno je određivanje trajanja korištenja jednog dlijeta do konačne zamjene (tmax) po slijedećem izrazu:

Gtmax = —————————————————— (3-42) 2 ּ σk

2ּ tgα ּ f1ּ f2 ּ πּ n ּm (R + r) (R – r)

Savremeni proizvođači kruna i dlijeta daju precizna uputstva za režim bušenja, trajanje i brzinu napredovanja pri korištenju isporučenih dlijeta, odnosno kruna za bušenje stijena određenih mehaničkih svojstava.