Технология колонкового бурения

Конструкцией скважины называется схема ее устройства, в которой показаны намечаемые диаметры скважины, интервалы глубины бурения породоразрушающим инструментом, диаметры колон обсадных труб, глубина их спуска и места тампонирования (т.е. изоляция) глиной или цементным раствором.

Исходными данными для составления конструкции скважины являются физико-механические свойства пород геологического разреза, цель и способ бурения скважины, ее глубина и конечный диаметр. Составляют конструкцию скважины снизу вверх. Конечный диаметр зависит от диаметра керна.

По окончании подготовительных работ, к которым относятся подготовка площади, сборка вышки, установка оборудования, подвод электроэнергии, организация водоснабжения и глинистого хозяйства, подготовка бурового инструмента, производится забуривание скважины. Способ забуривания скважины зависит от ее глубины и характера пород геологического разреза.

Перед забуриванием скважины на месте ее заложения выкапывается приемок, чтобы под шпиндель станка можно было завести короткий буровой снаряд. Шпиндель станка устанавливают строго под заданным углом при помощи угломера с уровнем. Проверяют горизонтальность рамы станка, надежность крепления рамы станка к фундаменту и станины станка к раме, отсутствие люфта шпинделя во вращателе.

Снаряд для забуривания состоит из породоразрушающего инструмента, короткой колонковой трубы, переходника и ведущей трубы, закрепленной в шпинделе.

При забуривании в мягких породах в качестве породоразрушающего инструмента используется зубчатая коронка-патрубок с вырезанными на нижнем конце зубьями. В породах средней твердости используется коронка, армированная твердыми сплавами. В твердых монолитных породах - алмазная коронка или шарошечное золото.

Забуривание ведут на низшей частоте вращения с пониженной осевой нагрузкой на породоразрушающий инструмент и при ограниченной промывке. После углубления скважины на 3-4 м в ней устанавливают направляющую обсадную трубу, служащую для предохранения устья скважины от размыва и направления изливающейся из скважины жидкости в желоб. Верхний конец трубы расклинивают щебнем с глиной, а при глубоком бурении цементируют в устье скважины. Схема установки направляющей трубы дана на рис. 43.

Для направления ствола скважины, предохранения ее стенок в верхних неустойчивых породах от обвалов и для обеспечения нормальной циркуляции промывочного раствора применяют кондуктор.

Кондуктор устанавливается в тех случаях, когда проектная глубина скважины превышает 250-400 м, и опускается в скважину на глубину 30-150 м.

Бурение твердосплавными коронками

Около 50% всего объема разведочного колонкового бурения осуществляется коронками, армированными твердосплавными резцами. Твердосплавные коронки применяются для бурения горных пород в широком диапазоне от I до VIII и частично IX категории по буримости.

Резцы твердосплавных коронок изготовляют из вольфрамо-кобальтового металлокерамического сплава типа ВК, состоящего из карбида вольфрама и кобальта.

Для бурения используют сплавы ВК-6, ВК-8, ВК-15. Цифра в марке сплава означает процентное содержание кобальта. Остальную часть составляет карбид вольфрама. Чем меньше кобальта в сплаве, тем выше его твердость и износостойкость, но больше хрупкость. С увеличением содержания кобальта повышается вязкость и устойчивость сплава к ударным нагрузкам, но снижается износостойкость. Для коронок применяют резцы различных конфигураций и размеров, с разными углами заострения в зависимости от конструкции коронок.

В пазы или отверстия короночного кольца резцы вставляются припоями так, чтобы они выступали над торцом коронки, перекрывали при работе площадь кольцевого забоя и выступали за наружную и внутреннюю боковые поверхности короночного кольца. Это необходимо для обработки стенок скважины и керна по диаметру. Между резцами по торцу короночного кольца вырезаны промывочные окна, а по наружной поверхности - пазы для прохода промывочной жидкости.

Резцы, которые разрушают забой, называются основными. В некоторых конструкциях коронок в промывочные окна впаивают подрезные резцы, предназначенные только для калибровки стенок скважины.

Закрепленные в короночном кольце резцы рекомендуется затачивать при бурении при бурении пород I-IV категорий по буримости под углом заострения 45-50, а для бурения пород V-VIII категорий - под углом 55-65.

Для бурения мягких пород I-IV категорий по буримости применяют ребристые коронки типа М. К боковой поверхности этих коронок приварены 3-4 ребра, армированные твердосплавными резцами. Ребра создают увеличенный зазор между колонковой трубой и стенками скважины, обеспечивая свободный проход промывочной жидкости.

Для бурения малоабразивных пород средней твердости V-VI категорий по буримости применяют твердосплавные коронки типа СМ и СТ.

Для пород абразивных VI-IX категорий применяют самозатачивающиеся микрорезцовые коронки типа СА.

Технологическим режимом бурения называется сочетание параметров, характеризующих процесс работы породоразрушающего инструмента. Основными параметрами режима при бурении твердосплавными коронками являются:

1. Осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент.

2. Частота вращения коронки.

3. Качество и количество подаваемой в скважину промывочной жидкости.

Величина осевой нагрузки обуславливает интенсивность разрушения породы. Нагрузка на коронку (С) принимается из расчета удельной нагрузки на один резец коронки, величина которой зависит от свойств буримой породы, формы и размера основных резцов.

С = С₀ m, Н

C₀ - удельная нагрузка на 1 резец (от 300 до 1000 Н),

m - число основных резцов в коронке.

Частота вращения бурового снаряда определяется по величине средней окружной частоты вращения коронки, принятой соответственно характеру буримых пород.

n = 60 v /  D, об/мин

D - средний диаметр коронки, м:

D = D_нар+D_вн / 2

v - рекомендуемая окружная частота вращения коронки.

При бурении трещиноватых и абразивных пород рекомендуется принимать нижние пределы величины окружной частоты вращения инструмента.

Количество промывочной жидкости, которое необходимо подавать в скважину, определяется с учетом скорости восходящего потока V_п и диаметра скважины по формуле:

Q = /4 (D²-d²) V_п, л/с

D - диаметр скважины, дм

d - наружный диаметр бурильных труб, дм

V_п - скорость восходящего потока в кольцевом зазоре, дм/с

Обычно V_п = 2,5-6 дм/с

При бурении необходимо использовать наивыгоднейшее сочетание основных параметров технологического режима, которое обеспечивает высокие технико-экономические показатели при высоком качестве проведения скважин.

Параметры режима бурения должны устанавливаться с учетом физико-механических свойств буримых пород.

При бурении рыхлых и мягких пород I-IV категорий по буримости резцы твердосплавных коронок быстро разрушают забой скважины. При этом стенки скважины малоустойчивы, а керн легко размывается и разрушается. Для предупреждения стенок скважины от обрушения в процессе бурения необходимо поддерживать непрерывную циркуляцию глинистого раствора. Углубление в мягких породах происходит достаточно эффективно при невысоких значениях осевой нагрузки и частоты вращения коронки.

При бурении пород средней твердости и твердых пород наибольшее влияние на скорость проходки оказывает осевая нагрузка и частота вращения коронки. Необходимо создавать повышенную осевую нагрузку на забой и регулировать ее в соответствии с частотой вращения снаряда. Так, при бурении абразивных пород следует принимать высокую осевую нагрузку и низшие пределы окружной частоты вращения коронки, а бурение в породах средней твердости и твердых породах производить промывкой водой или глинистым раствором.

Лекция 6