§ 2. 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

L = kGJq, (105)

где Л — коэффициент, учитывающий часть веса УБТ, используемую для натяжения бурильных труб (к = 1,25+1,5); G„ —расчетная осевая нагрузка, даН; а — масса 1 м УБТ. кг.

Рис. 10.1. Компоновка бурового снаряда с шарошечным ПРИ для бескернового бурения:

I — долото, 2 — переходник; J — циркуляционный канал, 4 — закрытая шламоулавливающая труба; 5 —окно, 6 — переходник, 7 —УБТ; S — бурильная труба

[]

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 М небольшого диаметра может достигать 250—300 м и более; В породах средней твердости — 25—35 м (на долото типа СТ), 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 изме-* няется.

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 б у р е н и я. Рациональное сочетание параметров режима бурения, обеспечивающее наиболее эффективную отработку ПРИ шарошечного типа, рекомендуется подбирать, исходя из получения максимальной скорости бурения v_M или максимальной углубки за рейс /_р, 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 v_M 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 /_р. В этом случае необходимо подбирать такие значения параметров режима бурения, при которых будет получена максимальная углубка на долото при достаточно высокой v_M 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 п = 380 об/мин при осевой нагрузке G_a = 2350 даН. При этом может быть достигнута максимальная механическая скорость бурения v_M = 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 отра-

Рис. 10.2. Ночи it |> >ммл определения параметров режим.* «мня шарошечным ПРИ, исходи in гановлен- ной мощности двигателя Ключ: -*С-*гм

Й,,м/«Г у,Kir

&₀,qaH

4000

3000

- 1000

200 300 Ш 500 Ш Л,ос/мин

ботки 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 трещиноватыых породах целесообразно применять минимальную частоту вращения бурового снаряда и снижать осевую нагрузку на долото.