Принципы отработки породоразрушающего инструмента шарошечного типа и технологические процессы бурения

Методикой отработки ПРИ предусматривается подбор инструмента, компоновка снаряда, определение рациональных значений параметров режима бурения применительно к типам пород, параметрам и техническому состоянию скважины и характеристике применяемого бурового оборудования. При этом определяется продолжительность рейса, величина углубки скважины за рейс и выполнение других процессов.

Бурение скважин шарошечным ПРИ осуществляется как с получением керна, так и без керна. В последнем случае используют буровой снаряд с шарошечным долотом, присоединяемым к шламоулавливающей трубе закрытого типа (рис. 10.1). При бурении с получением кернового материала используют колонковый снаряд с шарошечной коронкой.

В связи с необходимостью создания на шарошечные долота больших осевых нагрузок, при бурении со свободной подачей инструмента совершенно необходимо применение УБТ. Общий вес УБТ должен превышать расчетную нагрузку на долото на 25%. Диаметр УБТ должен быть не более, чем на один размер меньше диаметра породоразрушающего инструмента. Общая длина УБТ, включаемых в компоновку бурового снаряда, может быть определена выражением

где k — коэффициент, учитывающий часть веса УБТ, используемую для натяжения бурильных труб (k = 1,25-1,5); Gо — расчетная осевая нагрузка, даН; q — масса 1 м УБТ, кг.

Бурильные трубы подбираются также в соответствии с диаметром бурового инструмента. При диаметре долота 59 мм диаметр БТ должен быть менее 50 мм с ниппельным соединением; для долот диаметром 76 мм — не менее 50 мм с замковыми соединениями; для долот диаметром 93 мм следует применять трубы диаметром 50 или 63,5 мм с муфто-замковыми соединениями.

Подбор породоразрушающего инструмента. Тип и параметры породоразрушающих инструментов выбирают в конкретных случаях в соответствии с конструкцией скважины и с учетом механических свойств горных пород, исходя из приведенных ранее рекомендаций.

При пересечении толщ, представленных часто перемежающимися слоями или пропластками пород с различными механическими свойствами, рекомендуется выбирать породоразрушающий инструмент, соответствующий преобладающему типу пород, с учетом его износостойкости: в мягких породах углубка на долото типа M небольшого диаметра может достигать 250—300 м и более; в породах средней твердости — 25—35 м (на долото типа CT), а при бурении таким инструментом по более твердым породам (VIII категории по буримости) углубка на долото не превышает 3—5 м. Поэтому, при мощности твердых пропластков более 2—3 м в толще пород средней твердости следует применять долота типа Т.

При использовании долот, не соответствующих условиям их эксплуатации, получают заниженные показатели бурения и преждевременный износ инструмента. Основными видами износа при этом являются износ опор шарошек и их вооружения (зубьев или штырей). Многочисленными наблюдениями показано, что около 80% долот выходит из строя вследствие износа опор, а не вооружения.

При использовании ПРИ с вооружением в виде зубьев клиновидной формы их износ приводит к образованию площадки притупления и снижению механической скорости бурения. Износ элементов вооружения из твердых сплавов происходит с незначительным изменением их геометрической формы, вследствие чего механическая скорость бурения в рейсе практически мало изменяется.

В связи с тем, что эффективность работы ПРИ шарошечного типа растет с увеличением его прочности и параметров режима бурения, следует использовать для бурения скважин без отбора керна долота возможно большего диаметра, допускающие создание достаточно высокой осевой нагрузки и позволяющие получить значительную углубку на долото.

Подбор параметров режима бурения. Рациональное сочетание параметров режима бурения, обеспечивающее наиболее эффективную отработку ПРИ шарошечного типа, рекомендуется подбирать, исходя из получения максимальной скорости бурения vм или максимальной углубки за рейс lp, а также из уровня подводимой к инструменту мощности. Решают эту задачу главным образом применительно к тому или иному периоду работы инструмента в рейсе или к глубине скважины. В рейсе выделяют три периода работы породоразрушающего инструмента шарошечного типа: период его приработки, период установившегося режима работы и период катастрофического износа.

В первый период (обычно 10—15 мин) отработку инструмента ведут на пониженных режимах, когда происходит выравнивание зубьев по высоте и устраняются некоторые дефекты, связанные с наплавкой зубьев твердым сплавом или их закалкой. Механическая скорость при этом резко колеблется и в общем случае снижается из-за роста площади контактной поверхности зубьев. Во второй период отработку нужно вести с наиболее рациональным сочетанием параметров режима бурения, критерием чего могут служить значения механической скорости бурения или величина углубки за рейс, а также уровень подводимой мощности к инструменту. Первые два критерия используют в зависимости от глубины скважины, а третий является дополнительным.

До какого-то критического значения глубины скважины за критерий оптимальности параметров режима бурения принимают достижение максимальной механической скорости бурения. В этом случае после приработки инструмента осевую нагрузку доводят до значения, допускаемого его характеристикой (прочностью) с учетом твердости пород и получения высоких качественных показателей (искривление скважин, кондиционность керна и др.), а частоту вращения увеличивают до критического значения с учетом интенсивности прироста vм и технических возможностей применяемого бурового оборудования и инструмента. Естественно, что долото в таких условиях изнашивается наиболее интенсивно, но учитывая небольшую глубину скважины, на его замену будет затрачиваться мало времени. Поэтому производительность труда в смену будет максимальной.

С некоторой критической глубины скважины и ростом времени, затрачиваемого на СПО, следует использовать второй критерий — максимальную углубку за рейс lр. В этом случае необходимо подбирать такие значения параметров режима бурения, при которых будет получена максимальная углубка на долото при достаточно высокой vм до катастрофического износа долота. Этого можно достигнуть, прежде всего, ограничением частоты вращения инструмента и подбором оптимального значения осевой нагрузки в соответствии с характером пород.

Бурение шарошечными коронками рекомендуется вести на режимах, обеспечивающих максимальную механическую скорость и сохранность керна, с учетом ограниченной проходки за рейс.

Для определения параметров режима бурения, обеспечивающих получение максимальной механической скорости бурения, предложена номограмма (рис. 10.2). Тогда, например, при заданном уровне подводимой к долоту мощности N = 30 кВт наиболее, эффективно вести бурение с частотой вращения n = 380 об/мин при осевой нагрузке Gо = 2350 даН. При этом может быть достигнута максимальная механическая скорость бурения vм = 12,5 м/ч (для определенного типа пород).

Как показывает опыт эксплуатации шарошечных долот при бурении геологоразведочных скважин значения осевой нагрузки чаще всего ограничиваются стойкостью опор, а не вооружения шарошек. Оптимальная осевая нагрузка по эффективности отработки вооружения может быть в 2—3,5 раза выше нагрузки, подбираемой по эффективности отработки опор.

Минимальные значения осевых нагрузок и максимальные значения частоты вращения долот рекомендуется применять при бурении менее крепких пород. Максимальные значения осевых нагрузок и минимальные значения частоты вращения долот следует применять при бурении более крепких пород.

При бурении в сильно трещиноватых породах целесообразно применять минимальную частоту вращения бурового снаряда и снижать осевую нагрузку на долото.