6.6. Проектирование режимов бескернового бурения

Бескерновое бурение производится вращательным, вращательно-ударным и ударно-вращательными способами бурения специальными долотами дробяще-скалывающего (шарошечные) и режуще-скалывающего действия (лопастные и с комбинированным вооружением).

Осевая нагрузка при бескерновом бурении рассчитывается по зависимости

, (6.17)

где q_см – рекомендуемая нагрузка на 1 см диаметра долота, кН;

D – диаметр долота, см.

Значения рекомендуемых нагрузок на один см диаметра долота для различных типов долот и пород приведены в табл. 6.13.

Таблица 6.13

Значения рекомендуемых нагрузок на долота

Долота	Категория пород по буримости (ОСТ 41-89-74)
	I,II	III	IV,V	VI,VII	VIII,IX	X–XII
Лопастные: 2-лопастные 3- лопастные Пикобуры Шарошечные: тип: М С Т К ОК	0,6–0,70 0,7–0,80 0,5–0,6 1,5–2,0 – – – –	0,6–0,8 0,8–0,9 0,6–0,8 2,0–2,5 – – – –	– – – – 2,0–3,0 – – –	– – – – 2,0–3,0 2,5–3,5 – –	– – – – – 2,5–4,0 2,5–4,0 3,0–5,0	– – – – – – – 4,0–5,0

Частота вращения бурового снаряда определяется по зависимости

, (6.18)

где D – диаметр долота, м;

v – окружная скорость вращения долота, м/с.

При бурении шарошечными долотами рекомендуется достаточно умеренная частота их вращения, поскольку установлено, что с повышением частоты вращения выше некоторого предельного значения достаточно резко снижаются углубление за оборот и темп прироста механической скорости бурения (рис. 6.14).

Рекомендуемые значения окружной скорости приведены в табл. 6.14.

Таблица 6.14

Рекомендуемые значения окружной скорости при бурении долотами

Долота	Окружная скорость при вращении долота, м/c для бурения пород категорий по буримости (ОСТ 41-89-74)
	I,II	III	IV,V	VI,VII	VIII,IX	X–XII
Лопастные 2-лопастные 3- лопастные Пикобуры Шарошечные тип: М С Т К ОК	0,8–1,2 0,8–1,2 0,8–1,2 0,8-1,2 – – – –	1,0–1,2 1,0–1,8 1,0–1,4 1,2–1,4 – – –	– – – – 1,0–1,4 – – –	– – – – 0,8–1,2 0,8–1,2 – –	– – – – – 0,6–1,0 0,6–0,8 0,6–0,8	– – – – – – – 0,6–0,8

П ри определенной высокой частоте вращения механическая скорость бурения не растет, но может снизиться проходка на долото из-за повышенного износа опор шарошечных долот. Физический смысл влияния частоты вращения на буримость можно установить, используя зависимость проф. В. С. Федорова для расчета времени контакта опорного зубца шарошечного долота, работающего на забое без проскальзывания, с породой:

, (6.19)

где d_ш – диаметр шарошки, измеренный по периферийному венцу, м;

Z – число зубцов в периферийном венце конической шарошки;

D – диаметр долота, м;

n – частота вращения долота, мин^-1.

Таким образом, с повышением частоты вращения, числа зубцов на поверхности шарошки и диаметра долота и уменьшении диаметра шарошек время контакта породоразрушающих зубцов с породой снижается, а значит, снижается и разрушающее напряжение в породе.

С деланные выводы могут иллюстрироваться также опытными графиками, представленными на рис. 6.16, из которых следует, что на глубину внедрения индентора в породу существенно влияет не только время внедрения (τ_к) и величина осевого усилия Р, но и вязкость бурового раствора (η), которая определяет скорость фильтрации в зону разрушения. В условиях внутрискважинного давления (р_с) для достижения равной с атмосферными условиями (без раствора – условия близки к бурению с продувкой скважины воздухом) глубины внедрения индентора потребовалось существенно более значительное осевое усилие. При этом скорость внедрения индентора на определенную глубину оказалась существенно зависима от вязкости раствора, а с повышением вязкости возможная глубина внедрения индентора снизилась при иных равных условиях. Из этого следует вывод не только о необходимости правильного выбора частоты вращения долота в зависимости от его типоразмера и физико-механических свойств горных пород, но и о том, что при повышении вязкости бурового раствора, например, при переходе с бурения на воде к бурению на глинистом растворе (более вязком), частоту вращения долота следует снижать, повышая, в пределах допустимого, значение осевого усилия.

При выборе частоты вращения шарошечного долота нужно всегда учитывать, что этот параметр не отражает фактического значения скорости перемещения породоразрушающих элементов долота и времени его контакта с породой (τ_ш), поскольку шарошка долота вращается с более высокой скоростью. Превышение частоты вращения шарошки над частотой вращения долота (k) можно ориентировочно оценивать через соотношение диаметра долота D и диаметра шарошки d_ш c учетом коэффициента проскальзывания долота К_пр :

. (6.20)

При бурении малоабразивных пород шарошечными долотами рекомендуется окружная скорость долота в пределах 1–2 м/c; при бурении абразивных пород скорость должна не превышать 1 м/с, так как механическая скорость бурения при больших частотах вращения увеличивается в меньшей степени, чем износ долота.

Для шарошечных долот дробяще-скалывающего действия диаметром 59; 76; 93; 112; 132 и 151 рекомендуется частота вращения [8,17] в пределах 100–300 мин^-1.

Для твердых, абразивных пород (VII,IX категории по буримости) оптимальная частота вращения долота составляет 200 – 270 мин^-1, при дальней-шем её повышении механическая скорость бурения почти не увеличивается, но более значительно возрастает износ долота [17].

Для долот, работающих на забое с проскальзыванием шарошек, например, долот ДДА, время контакта зубьев с породой, рассчитанное по зависимости (6.12), будет больше за счет проскальзывания. Именно поэтому при бурении твердых малоабразивных пород (фельзиты, дациты VIII, IX категории по буримости) долотами типа ДДА более высокие результаты получены при частотах вращения 500–600 мин^-1 в сравнении с трехшарошечными долотами типа К, работающими на забое без проскаль-зывания шарошек и показавшими лучшие результаты при частоте вращения около 300 мин^-1.

При бурении в твердых породах скорость восходящего потока промывочной жидкости в затрубном пространстве должна быть 0,4 – 0,6, а в мягких породах 0,6 – 0,8 м/с.

В соответствии с работой [17] при бурении шарошечными долотами рекомендуются следующие значения осевого усилия и количества подаваемой промывочной жидкости (табл. 6.15). Минимальные осевые нагрузки и максимальные частоты вращения рекомендуется применять при бурении менее твердых горных пород, максимальные осевые нагрузки и минимальные частоты вращения – при бурении более твердых горных пород.

Таблица 6.15

Параметры режима бурения шарошечными долотами

Диаметр и тип долота, мм	Осевая нагрузка на долото, кН	Частота вращения долота, мин-1	Расход промывочной жидкости, л/мин
Долото типа К (ОК) 59 76 93 112 132 151	12–18 15–25 20–30 30–50 40–70 50–80	102–348* 102–277 102–348 102–277 102–277 102–277	80–100 100–120 120–150 150–180 200–250 250–300
Долото типа Т 93 112 132 151	20–25 25–45 30–60 40–70	102–348 102–277 102–277 102–277	180–230 200–280 250–350 300–440
Долото типа С 93 112 132 151	15–25 20–30 30–50 40–70	102–348 102–277 102–277 102–277	180–230 200–280 250–350 300–440
Долото типа М 112 132 151	15–25 20–30 25–35	102–348 102–277 102–277	300–400 350–450 450–500

^*Частоты вращения даны для буровых станков со ступенчатым регулированием данного параметра; для станков с плавнорегулируемой частотой вращения следует применять значения близкие к указанным.

При бурении трещиноватых горных пород рекомендуется снижать частоту вращения долота и осевую нагрузку на 30–40 %.

Для установления оптимальной осевой нагрузки необходимо довести её до максимально рекомендуемой, а затем несколько снизить.

Если при снижении нагрузки механическая скорость бурения снижается, то нагрузку следует повысить до первоначальной величины. Если механическая скорость бурения не уменьшается, то нагрузку снижают до уровня, при котором наступает снижение скорости бурения, а затем несколько повышают её до первоначальной величины [17].

Мягкие породы и породы средней твердости долотами с зубчатым вооружением следует разбуривать с примерно постоянной в течение рейса нагрузкой, обеспечивающей максимальную скорость бурения.

При бурении твердых пород осевую нагрузку к концу рейса, как правило, повышают для сохранения уровня скорости бурения. При бурении твердых пород долотами со штыревым вооружением осевая нагрузка может быть постоянной и равняется максимально рекомендуемой.

Основными признаками, указывающими на необходимость подъема долота из скважины, являются:

- резкое снижение механической скорости бурения и рывки инструмента, что свидетельствует об износе опор шарошек;

- снижение скорости бурения по однородным по твердости горным породам, что указывает на износ вооружения долота.