35. Выбор типа долота и режима бурения: критерии выбора, способы получения информации и её обработки для установления оптимальных режимов, регулирования величины параметра.

Под параметрами инструмента обычно подразумевают все данные, которые позволяют оценить его конструкцию, технический уровень, степень надежности в работе, определяют его техническую и общественную полезность, экономическую эффективность, позволяют выявить область рационального применения и др. Один из важнейших, наиболее универсальных параметров, общий для всех видов бурового инструмента — фактический срок его службы. Он обеспечивает возможность оценить общественную полезность (практическую ценность) конструкции инструмента каждого классификационного подразделения и входит в эксплуатационную характеристику в качестве ее основного компонента. Он может быть выражен в различных единицах, чаще всего в часах. Стойкость, или долговечность, инструмента характеризует работоспособность промышленного изделия. Срок службы, стойкость, или долговечность, инструмента, его узла или детали зависит от условий применения и режима эксплуатации. С увеличением глубины бурения роль этих параметров растет и применение инструмента, характеризующегося небольшим сроком службы (или малой часовой стойкостью), оказывается экономически невыгодным.

Виды буровых долот

Буровые долота делятся по:

а) назначению:

- для сплошного бурения (разрушение горной породы по всему забою скважины)

- для бурения с отбором керна (разрушение горную породу по кольцу забоя скважины с оставлением в её центральной части керна)

- для специальных целей (зарезные долота, расширители, фрезеры и др.)

б) исполнению:

- пикообразные;

- ступенчатые;

- радиальные;

- лопастные;

- шарошечные;

в) воздействию на горную породу:

- режуще – скалывающего типа (лопастные)

- дробящее – скалывающие типа (шарошечные)

- режуще – истирающего типа (ИСМ, алмазные)

Лопастное долото

Лопастные долота режущего типа используются для бурения геологоразведочных скважин на небольшие глубины.

Применяются два типа лопастных долот:

М – для бурения скважин в мягких породах

МС – для бурения скважин в породах средней крепости. Существуют лопастные долота с калибрующим сектором, с вогнутыми лопастями и с опережающим лезвием. Все эти конструкции имеют ряд особенностей в вооружении и системе расположения промывочных отверстий. Долота типа М могут оснащаться струйными или гидромониторными насадками.

В таких условиях обычные серийные долота лопастные нефтяного сортамента работают, небольшой промежуток времени до 10-15 ч. Тогда как при использовании нефтяного тяжелого оборудования эти долота лопастные работают 150-200 ч. Лопастные долота режущего типа для геологоразведочного бурения работают до затупления режущих кромок твердосплавных резцов и режущих кромок, наплавленных крупнозернистым твердым сплавом. Процесс изнашивания режущих кромок характеризуется медленным истиранием от периферийной зоны до центральной части долота. Несмотря на то, что центральная часть долота лопастного изнашивается значительно меньше, именно она определяет работоспособность долота в целом. Даже при незначительном износе центральной части долота лопастного резко снижается удельная нагрузка на режущие кромки и твердосплавные резцы, и они перестают внедряться в поверхность разрушаемого забоя.

Шарошечное долото

Долото шарошечное — разновидность бурового оборудования, породоразрушающий дробящий, _робящее-скалывающий инструмент карьерных станков вращательного бурения, с вооружением шарошки в виде фрезерованных на ней зубьев различной длины и конфигурации или впрессованных на нее штырей из твёрдого сплава — карбида вольфрама, применяемый для механического разрушения горной породы от мягкой до очень крепкой в процессе бурения скважины. Этими долотами бурят эксплуатационные (нефтяные, газовые и водяные), разведочные, поисковые, опорные, инженерно-геологические, гидрогеологические, гидротехнические, строительные, взрывные, вентиляционные и многие другие скважины.

Эти долота — наиболее сложные как по конструкции, так и по технологии их изготовления. В зависимости от количества их рабочих органов, производящих бурение, они разделяются на разновидности: одно-, двух-, трех-, четырех- и многошарошечные.

Основные конструктивные параметры долот:

- расположение на оси шарошек по отношению к оси долота и вершин шарошек относительно оси долота;

- величина угла наклона осей шарошек к оси долота; число конусов на шарошках ;

- расположение венцов зубьев;

- геометрические параметры зубьев.

Шарошечные долота представляют собой наиболее универсальный породоразрушающий буровой инструмент, поскольку область их применения охватывает практически все многообразие горных пород. Эти долота наиболее производительны при бурении геологоразведочных (сплошным забоем) и взрывных скважин в крепких породах.

Алмазное долото

Основная особенность алмазных долот — наличие в них алмазных режущих элементов, т.е. алмазов (природных или синтетических) той или иной величины (крупности). В буровых долотах обычно используют наименее ценную разновидность природного алмаза, именуемую карбонадо (бразильские технические алмазы) или черным алмазом, которая характеризуется меньшей твердостью, но значительно большей вязкостью, что в условиях бурения чрезвычайно важно.

Алмазные долото буровое (и бурильные головки) состоят из твердосплавной алмазонесущей рабочей части (матрицы) и стального корпуса с внутренней присоединительной конусной замковой резьбой. Долота отличаются друг от друга формой рабочей части, качеством алмазов и системой промывки.

Алмазные долота бывают трех типов: спиральные, радиальные и ступенчатые. В спиральных алмазных долотах рабочая часть имеет спирали, оснащенные алмазами и промывочные отверстия. Долота этого типа предназначены для турбинного бурения малоабразивных и среднеабразивных пород. Радиальные алмазные долота имеют рабочую поверхность в виде радиальных выступов в форме сектора, оснащенных алмазами; между ними размещены промывочные каналы. Долота данного типа предназначены для бурения малоабразивных пород средней твердости и твердых пород как при роторном, так и при турбинном способах бурения. Ступенчатые алмазные долота имеют рабочую поверхность ступенчатой формы. Они применяются как при роторном, так и турбинном способах бурения при проходке малоабразивных мягких и средней твердости пород.

Выбор режимных параметров зависит от условий проводки скважины, способа бурения, конструктивных особенностей используемого долота, его диаметра, вооружения. Поэтому подбор вышеназванных параметров должен быть осуществлен на основе всестороннего анализа имеющихся данных с учетом полученных теоретических и экспериментальных зависимостей.

Эффективность процесса разрушения горных пород слагающих забой скважины определяется гармоничным сочетанием осевой нагрузки, числа оборотов, момента и мощности на долоте, обеспечивающих достижение максимальной механической скорости бурения.

Показателями бурения называются параметры, характеризующие количество и качество результатов проходки скважин. Главнейшими из них являются: скорость, стоимость 1 м пробуренной скважины, процент выхода керна, направление ствола скважины и др.

Режимом бурения называется сочетание параметров, которые могут изменяться бурильщиком. Так, например, при вращательном бурении основными параметрами режима бурения являются:

1) осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент;

2) частота вращения бурового снаряда;

3) качество очистного агента (воды, бурового раствора или сжа-того воздуха);

4) объемный расход, т. е. объем в единицу времени очистного агента.

Различают следующие разновидности режимов бурения: оптимальный и специальный.

Оптимальным режимом бурения называется сочетание параметров режима бурения, обеспечивающих максимальную ско-рость бурения в данных геолого-технических условиях при данном типоразмере породоразрушающего инструмента и при обеспе-чении требуемых качественных показателей: надлежащего на-правления ствола скважины и высокого выхода керна.

Специальным режимом бурения называется сочетание специальных технологических задач. Например, взятие керна полезного ископаемого с помощью специальных технических средств, вы-прямление ствола скважины, искусственное искривление сква-жины в заданном направлении и др. В этом случае величина ско-рости бурения имеет подчиненное значение.

Рейсом бурения называется комплекс работ, затраченных на выполнение следующих рабочих операций: 1) спуск бурового снаряда в скважину; 2) чистое бурение, т. е. углубление сква-жины (основная операция); 3) подъем бурового снаряда из сква-жины.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ НАГРУЗКИ НА ДОЛОТО

Нагрузка под воздействием которой достигается эффективное объемное разрушение горных пород в процессе бурения и максимальное значение скорости бурения называется оптимальной нагрузкой на долото.

1 – теоретическая кривая; 2 – кривая, полученная экспериментальным путем

На рисунке приведены экспериментальные кривые зависимости механической скорости проходки от осевой нагрузки, полученные профессором Л.А. Шрейнером.

Кривая 1 - теоретическая;

Кривая 2 - отражает три характерных процесса разрушения горных пород, а именно:

- поверхностное истирание (участок I), когда удельное давление значительно ниже предела прочности породы;

- усталостное разрушение (переходный участок) при достижении значений удельных давлений до величин, близких к пределу прочности породы, когда процесс разрушения становится объемным при многократном воздействии зубьев на породу;

- объемное разрушение (участок ), наиболее эффективное разрушение при достижении удельных давлений величины предела прочности породы

Определение критической частоты вращения долота

Частота вращения долота при которой достигается объемное разрушение породы и максимальное значение механической скорости бурения, называют критической частотой вращения долота (nк).

Величина критической скорости вращения зависит от свойств проходимых пород, конструкции вооружения шарошек долота, параметров режима бурения и ряда других факторов. При бурении с частотой вращения n  nк при объемном процессе разрушения м= f (nк) является возрастающей функцией, а при n  nк - убывающей функцией.

Федоровым В.С. предложено определять величину значения nк для достижения объемного разрушения горной породы, слагающей забой скважины, из условия обеспечения минимально необходимой продолжительности контакта зубъев с породой по следующей эмпирической формуле

nк = 0,6 * 105 dш / (м zn Dд),мин -1 ( 4 )

где dш - диаметр шарошки, м;

zn - число зубьев на периферийном венце шарошки;

Dд - диаметр долота, м;

м - минимальное время контакта зубьев долота с породой, при котором происходит разрушение последней, мс;

В расчетах рекомендуется принимать :

- для упруго-хрупких пород (3-6) мс;

- для упруго-пластичных пород (5-7) мс;

для пород не дающих хрупкого разрушения (пластичных) (6-8) мс.

. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА И МОЩНОСТИ НА ДОЛОТЕ

Момент на долоте, необходимый для разбуривания породы, находится в сложной функциональной зависимости от:

• параметров характеризующих конструкцию долота;

• механических свойств породы;

• угла искривления скважины;

• осевой нагрузки на долото;

• частоты вращения долота.

В случаях когда за переменную величину принимают параметры режима бурения, такие как осевая нагрузка и частота вращения, момент на долоте может быть определен по следующей упрощенной формуле

Мд = Му Рд,Н м ( 8 )

где Му – удельный момент на долоте, численно равен отношению момента на долоте при максимальной механической скорости бурения (Мэф) к осевой нагрузке (Рэф), т.е.

Му = Мэф/Рэф,Н м/кН ( 9 )

Величина значения Му зависит только от физико-механических свойств пород. Для твердых пород при прочих равных условиях бурения необходимый удельный момент меньше, чем при проводке скважин в мягких и пластичных породах.

В результате экспериментальных исследований установлено, что для долот диаметром до 295 мм, значение Му находится в пределах (6 –13) Н м/кН и от диаметра долота зависит незначительно.

Мощность на долоте определяется по формуле

Nд = Мд nк / 974,квт