§ 1. Параметры режима бурения шарошечным породоразрушающим инструментом

Особенностью работы ПРИ шарошечного типа является характер его воздействия на забой — нанесение ударов зубьями при перекатывании шарошек в процессе вращения самого инструмента. При этом порода разрушается в результате дробления — скалывания, раздавливания — и только в определенных случаях резания — скалывания при проскальзывании шарошек. В этом сложном процессе происходит изнашивание не только вооружения (зубьев) шарошек, но и их подшипниковых опор. Объем разрушаемой породы в единицу времени при бурении инструментом шарошечного типа зависит от энергетических параметров силового воздействия на нее, что в свою очередь определяется параметрами технологического режима работы ПРИ: величиной осевой нагрузки G₀, скоростью соударения v_c и временем контакта зубьев шарошек с породой /_к. Перечисленные параметры зависят от частоты вращения инструмента п и конструкции шарошек—величины шага зубьев S шарошки, их геометрической формы и кинематики движения, а также интенсивности удаления продуктов разрушения. Действие всех этих факторов определяет в конечном счете эффективность работы ПРИ шарошечного типа.

Осевая нагрузка.При определении рациональной величины осевой нагрузки следует учитывать тип и размер ПРИ, свойства пород, прочность и компоновку бурового инструмента, степень его изношенности, а также мощность привода. Всегда следует стремиться к соблюдению известного условия

G^KSJ?,», (10.1)

где К— коэффициент, учитывающий действие динамических нагрузок и влияние забойных условий; 5_К— площадь контактной поверхности зубьев долота, внедряющихся одновременно в породу, см²; Р_ш — твердость породы, Па.

Величина динамической нагрузки тем больше, чем больше жесткость низа бурильной колонны, шаг зубьев шарошек, частота вращения долота и твердость породы. С увеличением коэффициента скольжения долота величина динамической нагрузки уменьшается. Отношение динамической нагрузки к статической может колебаться от величины, близкой к единице, до значений, близких к нулю. По сведениям ряда исследователей коэффициент К, учитывающий забойные условия разрушения пород, изменяется в пределах 0,3—1,6.

При соблюдении приведенного выше условия наблюдается

наиболее эффективное объемное разрушение породы, и зависимость механической скорости бурения от осевой нагрузки приобретает вид степенной функции с показателем *>1, но до определенного предела:

= кС_а\ (10.2)

где к и дг—коэффициент и показатель степени, зависящие от параметров режима бурения, свойств разбуриваемых пород и конструктивных элементов долота.

Значения показателя степени дг могут изменяться в пределах 0 <jc< 3. Чем меньше твердость пород, тем больше этот показатель.

В практической деятельности осевую нагрузку рассчитывают, исходя из рекомендуемых ее удельных значений на 1 см диаметра д&лота:

G₀ = DG_y< (10.3)

где D — диаметр долота, см; G_y — нагрузка на 1 см диаметра долота; даН, значения которой приведены в табл. 10.1.

Таблица 10.1. Нагрузка на 1 см диаметра долота (в даН)

Тип долота	Категория пород по буримости
	1—II	III	IV-V	V1-V1I	VIII—IX	X-XII
м	150-200	200-250	2
с	—	—	200-300	210-300	—	—
ст	—	—	—	230-350	—	—
т	—	—	—	250-350	250-400	—
тк			—	—	250—400	—
к, ок	—	—	—	—	200-500	250-500

Предельные значения осевой нагрузки определяют, исходя из прочности долот, которая характеризуется критической величиной нагрузки G_Kp, выдерживаемой долотом, принимая G₀ = 0,8 G_Kp. Так как величина G_Kp растет с увеличением диаметра долота, то в мягких породах возможности создания осевой нагрузки по этому показателю не используются, а в крепких породах при малых диаметрах долот осевая нагрузка часто не достигает рациональных величин.

Для долот диаметром более 132 мм величина удельной осевой нагрузки может превышать приведенные в табл. 10.1 значения. У долот меньшего диаметра при работе с нагрузкой, превышающей рекомендуемые величины, быстро выходят из строя опоры.

Частота вращения. При определении частоты вращения, прежде всего, учитывают свойства горных пород — твердость и абразивность. Практически бурение шарошечными долотами в породах мягких и средней твердости достаточно пластичных ведется при повышенной частоте вращения до 300—600 об/мин и более. В породах более хрупких —твердых и средней твердости — для получения объемного разрушения бурение должно осуществляться с оптимальным значением частоты вращения, подбираемой экспериментально с учетом влияния на v_M рассмотренных ранее факторов.

Частота вращения должна уменьшаться с ростом глубины скважины, а также при бурении в сложных геологических условиях. Практически при использовании роторных установок бурение ведут с частотой вращения от 80—100 до 200—280 об/мин. При бурении с использованием забойных машин — турбобура или электробура — частота вращения определяется в основном их характеристикой и практически колеблется от 300—400 до 600—700 об/мин.

Инструктивными указаниями по бескерновому бурению рекомендуется вести бурение шарошечными долотами при окружных скоростях от 1,4 до 0,6 м/с в зависимости от категории породы и типа долота (табл. 10.2). Исходя из этих данных, используя выражение (9.-12), определяют величину/? для конкретных условий бурения скважин.

Таблица 10.2. Окружная скорость долота (в м/с)

Тип долота	Категория пород по буримости
	1-11	Ill	IV-V	VI—VII	VIII—IX	X-XI1
М	0,8-1,2	1,2-1,4	1,0-1,4	0,8-1,2
ст, с	—	—	1,0-1,4	0,8-1,2
т, тк	—	—	—	—	0,6-1,0	—
К, ОК	—	—	—	—	0,6-0,8	0,6-0,8

В практике при бурении геологоразведочных скважин долотами диаметром 76 и 98 мм частота вращения, как правило, изменяется в пределах 150—470 об/мин в соответствии с техническими характеристиками станков геологоразведочного стандарта. При бурении в разрушенных или сильно трещиноватых и абразивных породах частоту вращения рекомендуется снижать до 100-—60 об/мин.

Удаление продуктов разрушения. В качестве очистного агента при бурении скважин ПРИ шарошечного типа могут использоваться: вода, специальные растворы, эмульсии, аэрированные жидкости или воздух (газ). При выборе промывочной жидкости следует помнить, что применение растворов с повышенной вязкостью и плотностью всегда приводит к снижению механической скорости бурения (до 2 раз), уменьшению углубки на долото (до 1,5 раза) и увеличению стоимости 1 м пробуренной скважины. Поэтому в нормальных геолого-технических условиях следует применять в качестве очистного агента техническую воду или воздуух. Хорошие показатели получают и при использовании эмульсионных или аэрированных жидкостей, обладающих невысоким удельным весом и хорошими смазывающими свойствами, которые снижают коэффициент трения бурового инструмента о породу, что в конечном счете приводит к снижению затрачиваемой мощности на вращение бурового снаряда и интенсивности его износа.

Многочисленными исследованиями и опытом бурения скважин с гидравлическим способом удаления продуктов разрушения пород установлено, что от параметров этого процесса в значительной степени зависят многие показатели (по данным Р. А. Баданова).

Количество подаваемой в сква-

жину жидкости, л/с	16	25	36	48	54
Механическая скорость бурения, м/ч	9,8	12,0	13,2	13,8	13,9
Рейсовая скорость бурения, м/ч	4,55	6,55	7,10	7,75	7,90
Углубка на долото, м	68,5	108,0	136 Г,	141,0	142,0

В ряде случаев отмечается, что темп роста показателей работы долот существенен до значения Q, при котором происходит полная очистка забоя:

Q = QyS, (10.4)

где Q_y — удельный расход жидкости, при котором забой хорошо очищается от продуктов разрушения, л/с (Q_y = 0,043+0,065 л/с на 1 см² площади забоя); S — площадь забоя, см².

В инструктивных указаниях по бескерновому бурению и в руководстве по применению шарошечных долот рекомендуется скорость восходящего потока v_B,_n в пределах от 1,0—1,2 до 1,5—1,8 м/с. Есть мнение, что v_Bn нерационально увеличивать свыше 0,75 м/с, если v_B-n не превышает 15 м/ч, так как это не приводит к ощутимому повышению эффективности работы долот, но вызывает неоправданное увеличение гидравлических потерь мощности. На основании опыта бурения скважин долотами с гидромониторными насадками в США сделан вывод, что оптимальной является скорость восходящего потока 0,51—0,76 м/с, хотя с ростом этого параметра наблюдается увеличение v_M. Тем не менее, в последние годы там наметилась тенденция к снижению v_Bn до 0,3—0,4 м/с, при увеличении гидравлической мощности на гидромониторных насадках.

На основании анализа рассмотренных данных можно рекомендовать наиболее рациональные значения v_Bn: при бурении в очень твердых породах —0,3 м/с, в твердых — 0,5—0,6 м/с, а в породах средней твердости и мягких — 0,75—0,9 м/с. С ростом частоты вращения и осевой нагрузки интенсивность циркуляции жидкости следует увеличивать. Общее количество прокачиваемой в единицу времени жидкости определяете по ранее приведенной формуле (8.4). В практике бурения геологоразведочных скважин значения этого параметра колеблются в пределах от 100 до 300 л/мин.

Особое значение режим промывки приобретает при использовании инструмента шарошечного типа с гидромониторными насадками. В этом случае должны обеспечиваться высоконапорные струи жидкости, принимающие участие в разрушении достаточно мягких пород и способствующие удалению с забоя продуктов разрушения. Этот процесс считается эффективным при давлении струи жидкости на забой не ниже 0,5—0,6 МПа и скорости движения струи не менее 40—45 м/с.

При бурении шарошечными коронками скважин с отбором керна расход промывочной жидкости должен уменьшаться, так как объем образующихся продуктов разрушения в этих условиях резко сокращается.