§ 2. Технология ударно-вращательного бурения скважин с применением гидроударников

Параметры режимов бурения

Основными параметрами, определяющими режим УВБ скважин являются: осевая нагрузка G₀, динамическая (импульсная нагрузка) Р_д или энергия удара А_у, частота ударов /, частота вращения бурового снаряда п и расход жидкости Q.

Осевая нагрузка в породах невысокой твердости играет практически ту же роль, что и при вращательном бурении, обеспечивая внедрение резцов ПРИ на определенную глубину и непрерывность процесса резания — скалывания породы. В породах более твердых и очень твердых действие осевой нагрузки, как правило, не приводит к внедрению резцов на сколь-нибудь значительную величину, но обеспечивает постоянный контакт резцов с породой и формирование предварительно напряженного объема, в котором под действием ударной нагрузки будет происходить объемное разрушение породы. Таким образом, величина осевой нагрузки определяется значением силы реакции породы, от которой зависит величина отдачи бурового инструмента. Значение силы реакции, в свою очередь, зависит от свойств породы и силы ударов.

Исследованиями установлено, что увеличение осевой нагрузки при УВБ ведет к снижению энергоемкости процессов разрушения породы. Особенно заметный прирост скорости углубки с увеличением осевой нагрузки наблюдается при УВБ по породам невысокой твердости. В более твердых породах достигают оптимальных значений осевой нагрузки, превышение которых, особенно при бурении по твердым абразивным породам, вызывает интенсивный износ ПРИ, с чем связано заметное сокращение углубки за рейс и на коронку.

При бурении в твердых, особенно абразивных породах, рекомендуется подбирать осевую нагрузку в зависимости от силы отдачи, в свою очередь зависящей от конструкции ударника (табл. 11.1).

Таблица 11.1 Рекомендуемые значения осевой нагрузки при бурении

с гидроударниками

Породы (категория по буримости)	Осевая нагрузка (да 11) при диаметре скважин, мм
	115	03; 06	76	50
Средней твердости, твердые средней абразивности (Vll, VIII)	1000-1200	800-1000	800-1000	800
Нижесредней твердости, твердые высокой абразивности (IV—IX)	650	400-500	400-500	600
Твердые малоабразивные (VIII-X)	800	700-800	600-800	600
Твердые среднеабразивные (VIII—X)	400-500	400-500	400-800	400-S00
Твердые высокоабразивные (IX—X, частично XI)	400-500	400-500	300-400	300

Сила или энергия ударов. Рациональные значения этого параметра зависят от твердости породы, геометрических параметров элементов бурового снаряда и его характеристики, а общий уровень —от начального запаса энергии. Последнее определяется конструктивными параметрами ударника и режимом его работы. Для получения нужного эффекта сила удара Р_д должна превышать предел динамической прочности ст_д или твердость породы с учетом площади контактной поверхности S_K резцов ПРИ:

Г_ц> Од 5_К.

Частота вращения породоразрушающего инструментам и частота ударов V' являются тесно связанными друг с другом параметрами режима УВБ, от сочетания значений которых существенно зависят характер разрушения породы, энергоемкость процесса, механическая скорость бурения и другие показатели. Известно, что наиболее эффективно процесс разрушения породы ударным способом происходит при нанесении ударов каждый раз по новому месту, что достигается поворотом инструмента на определенный угол после каждого удара. Причем эффективность каждого последующего удара тем выше, чем благоприятнее условия для скалывания породы под действием скалывающей силы. Одним из условий этого является наличие дополнительных обнаженных поверхностей или углублений на забое (рис. 11.1). Порода в промежутках между углублениями (/, II, III) при известных условиях и оптимальном расстоянии £„ скалывается в момент удара (стрел-

а

ш

Рис. 11.1. Схема разрушения породы при нанесении одиночных ударов в режиме ударно-вращательного бурения:

а — при одной дополнительной обнаженной поверхности; б — при двух дополнительных обнаженных поверхностях

Гас, 11.2. Схемы разрушения породы при работе коронки с четырьмя резцами: I, II, III, IV — углубления, полученные при первом, втором, третьем и четвертом ударах одновременно с перемещением резцов на расстояние S; 1, 2,3,4 — резцы (области скалывания породы заштрихованы)

ками показано направление скалывания), в всязи с чем увеличиваются масштабы разрушения и снижается энергоемкость процесса.

В процессе УВБ такие условия могут, быть созданы только частично при строго определенном сочетании частоты вращения инструмента п и частоты ударов ц> с учетом количества резцов т, диаметра ПРИ D и свойств породы. В результате действия этих факторов скалывание элементов породы происходит главным образом в направлении вращения ПРИ под действием скалывающей силы, направленной под некоторым углом к плоскости забоя. Для этого каждый последующий удар должен быть нанесен после того, как резцы переместятся по забою на такое расстояние S от места предыдущего удара, при котором между ранее полученным углублением и новым, образующимся в момент последующего удара, будет рациональный интервал S_lt в котором произойдет скалывание элементов породы (на рис. 11.1 заштриховано).

Теоретически эТа зависимость может быть определена следующим образом. Каждый резец коронки должен пройти путь S за время t, равное периоду одного удара:

t = 1/Y', (И.2)

где V'^— частота ударов.

Линейная скорость перемещения резцов

v = S/t. (11.3)

С другой стороны, значение линейной скорости перемещения резцов определяется выражением

v = 2nRn, (11.4)

где R — средний радиус коронки; п — частота вращения коронки. Отсюда имеем

п = v/2jiR. (115)

Подставив значение v из выражения (11.3), получим п = S/2nRt.

Или, выразив t через частоту ударов из формулы (11.2), имеем

и = S<P/2jiR. (11.6)

Как видно из рис. 11.2,a S = S_p-S_ly где 5_р —расстояние между резцами; — оптимальное расстояние между углублениями. Но

5_р = 2nR/m, (11.7)

где т — число резцов в коронке. Тогда имеем

Подставив найденное значение S в выражение (11.6), получим рациональную величину частоты вращения, зависящую от рассмотренных параметров,

* - d - ^(,ш

где н — частота вращения, об/мин; ш —число резцов в коронке;

— рациональная величина расстояния между смежными углублениями в забое, мм; Л — средний радиус коронки, мм; ip — частота ударов в минуту.

При таком режиме работы ПРИ в интервалах S процесс разрушения породы будет происходить только за счет резания, а в интервалах —за счет скалывания, что рационально для пород достаточно мягких и малоабразивных. Для разрушения более твердых абразивных пород эффективнее вести процесс преимущественно в режиме скалывания, что возможно реализовать за счет увеличения числа резцов т, либо частоты ударов гр с тем, чтобы уменьшить интервал работы резцов в режиме резания S. Но тот и другой параметры заложены в конструкциях ПРИ и гидроударников. Поэтому при бурении в более твердых породах рациональней подбирать величину интервала перемещения резцов между ударами, исходя из условий скалывания породы задней гранью резцов в сторону углубления, полученного при нанесении предыдущего удара (рис. 11.2,6). При большой прочности породы величина этого перемещения должна быть незначительной и равной оптимальному расстоянию между углублениями S_lt при котором возможно скалывание породы. Тогда частота вращения может быть определена с помощью выражения (11.6), в котором вместо S подставляется значение S_t:

n^S\ipl2jtR. (11.10)

Значения т, R и у определяются конструкцией и характеристикой ПРИ и ударной машины. Рациональные же значения зависят от характера пород и главным образом их прочности на скалывание. Поэтому для разных пород рекомендуются значения S, от 4—5 мм (для пород XI категории по буримости) до 20—25 мм и более (для пород VI—VII категорий по буримости). В табл. 11.2 приведены значения этого параметра и примерные величины частоты вращения снаряда в зависимости от характера пород и диаметра скважины (по данным СКВ НПО «Геотехника») при частоте Ц> = 1000+1500 об/мин. На практике обычно рациональную частоту вращения подбирают экспериментальным путем.

В трещиноватых породах рекомендуется вести бурение с повышенной частотой вращения во избежание разрушения резцов вследствие заклинивания их в трещинах под действием ударов в периоды

Характеристика пород	Категории пород по		Диаметр породоразрушающего инструмента, мм
	буримости		54		76	93			115
		*1	п	*1	л	S1	л		S1		я
Средней твердости мало- абразивные	VI, VII	18-30	120-200	14—20	70-120	16	65		14-16		50
Средней твердости н абразивности	VI, VII	18	120	12—14	60-70	10-20	40-48		12		42
Средней твердости и сильно абразивные	VI, VII	10	60—70	8—12	60-40	8	30		8		30
Твердые малоабразивные	VIII, IX, X	10	60-70	8-12	40-60	8	30		7		24
Твердые средней абразивности	VIII, IX, X	7	45	6	30	6	24		6		20
Твердые сильно абразивные	IX, X и частично XI	4	30	4	20	5	20		5		17

кратковременных остановок коронки, когда происходит закручивание колонны бурильных труб.

Удаление продуктов разрушен ия. При УВБ с применением гидроударников режим промывки влияет не только на интенсивность удаления продуктов разрушения, но и на характеристику рабочих параметров ударных машин — энергию и частоту ударов. Исследованиями установлено, например, что с увеличением количества подаваемой на забой скважины жидкости при УВБ с гидроударником механическая скорость бурения растет почти линейно и с тем большей интенсивностью, чем мягче породы. При увеличении расхода жидкости с 260 до 300 л/мин энергия одиночного удара гидроударника Г-ЗА возрастет с 5,5 до 7,0 даН-м, а частота ударов с 1320 до 1450 в минуту.

При удалении продуктов разрушения промывкой существенное значение имеет качество промывочной жидкости. Применение технической воды повышает глубину эффективного применения гидроударников и их моторесурс, но ухудшает условия выноса продуктов разрушения, в особенности при малом расходе жидкости. Применение глинистого раствора лучше обеспечивает удаление продуктов разрушения, предупреждает некоторые осложнения в скважинах, в частности, сужение ствола в разбухающих породах, обрушение стенок и другие, но вызывает повышение перепада давления, что приводит к снижению некоторых параметров характеристики гидроударных машин. Рекомендуется по мере возможности использовать в качестве промывочной жидкости техническую воду.

Количество промывочной жидкости, подаваемой к забою, обычно определяется характеристикой применяемого гидроударника и корректируется в зависимости от характера пород —чем выше твердость и абразивность пород, тем больше подается на забой жидкости для повышения энергии удара.

С увеличением глубины скважин, в связи с потерей жидкости в соединениях бурильных труб, рекомендуется увеличивать расход жидкости на 5—6 л/мин на каждые 100 м длины колонны бурильных труб.

Технология отработки породоразрушающего инструмента

Выбор породоразрушающего инструмента при УВБ с применением гидроударных машин производят в зависимости от типов гидроударников и категории пород по буримости.

Для бурения пород ниже средней твердости (V—VII категорий по буримости) рекомендуется ПРИ с асимметрично заточенными резцами под углом 75° с отрицательным углом резания, равным 105°. Число резцов у коронок в этом случае может быть повышенным—до 6—8 штук, а расположение их — ступенчатым. При бурении в породах средней твердости (VII—VIII категорий по буримости) рекомендуются коронки с меньшим количеством резцов (4—6 шт.), имеющих угол приострения 90^е и угол резания 120°, так как в процессе разрушения таких пород большее значение приобретают импульсные ударные нагрузки. Наконец, для бурения пород повышенной твердости и абразивности (IX—XI категорий по буримости) рекомендуется ПРИ с крупными достаточно прочными резцами, имеющими симметричный угол приострения порядка 90—100°. В связи с необходимостью увеличения значений удельной энергии ударов при разрушении твердых пород количество резцов должно быть минимальным (4—6 шт.).

При бурении в породах до VIII категории по буримости, диаметр вновь спускаемой в скважину коронки не должен превышать диаметра коронки, поднятой с забоя в предыдущем рейсе, более чем на

1. 2 мм и не более чем на 0,1 мм в породах IX категории по буримости. При бурении в породах X и XI категорий по буримости диаметр спускаемой в скважину коронки не должен отличаться от диаметра извлекаемой из скважины.

Учитывая, что все необнаруженные при осмотре коронок дефекты проявляются в первом же рейсе при значительной глубине скважин рационально спускать уже использовавшиеся, но работоспособные коронки, не имеющие дефектов. Затупленные резцы у таких коронок перезатачиваются с соблюдением определенных правил, изложенных в соответствующих руководствах.

Компоновка бурового снаряда. Для получения образцов пород или проб полезных ископаемых при УВБ собирают снаряд, состоящий из коронки того или иного типа, кернорвателя (иногда с расширителем), колонковой трубы (или двойного колонкового снаряда), гидроударной машины и бурильных труб (иногда с включением УБТ и шламовой трубы).

Колонковая труба геологоразведочного стандарта должна иметь при этом минимальную длину. В зависимости от возможной величины углубки за рейс при бурении в породах VI, VII категорий по буримости длина труб равна 7—12 м; VIII категории по буримости — 4—6 м; IX категории по буримости — 3—4 м и X, XI категорий по буримости —1,5—3 м. В случае бурения скважин без получения керна используют набор, включающий долото, колонковую трубу (иногда с расширителем), ударную машину и бурильные трубы (иногда с включением УБТ и шламовой трубы).

Бурильные трубы подбирают в соответствии с глубиной и диаметром скважины, типом ударной машины и насоса. Обычно при УВБ с гидроударными машинами применяются СБТ диаметром 50 и 63,5 мм с муфтово-замковыми соединениями.

Утяжеленные бурильные трубы должны обеспечивать нагрузку в пределах 800—1000 даН. В зависимости от параметров скважины применяются УБТ диаметром 54 или 73 мм.

С целью уменьшения интенсивности искривления скважин в компоновку УБТ ударная машина — колонковая труба включают переходники-центраторы. В СКВ НПО «Геотехника» разработан специальный снаряд СНГ-1, имеющий стабилизированный низ бурильного вала.

Для повышения качества и количества получаемого кернового материала применяют специальные колонковые снаряды: эжекторные снаряды ОК80М-76 с коронками ГПИ76МВС и снаряды ОК90-59 с коронками ГПИ126МС, а также двойные колонковые снаряды ОК70М-76, созданные СКВ НПО «Геотехника».

Подбор рациональных параметров режимов бурения. Эффективность УВБ, как и других способов, зависит от рациональности подбираемых режимных параметров бурения, влияние которых было рассмотрено ранее.

При бурении в сильно трещиноватых породах рекомендуется уменьшать осевую нагрузку и увеличивать частоту вращения с целью уменьшения возможности заклинивания резцов в трещинах в моменты остановок породоразрушающего инструмента. В случае полного поглощения промывочной жидкости возможно зашламо- вание скважины, с чем могут быть связаны прихваты снаряда, при этом рекомендуется в компоновку снаряда включать шламовые трубы (2—3 шт.) закрытого или открытого типа. Перед подъемом снаряда по окончании рейса необходимо в течение 10—15 мин (в зависимости от глубины скважины) производить интенсивную промывку скважины. При бурении в породах повышенной абразивности осевую нагрузку и частоту вращения следует снижать на 20-25%.

Технология бурения. Перед спуском ударной машины и переходом на УВБ скважина должна быть хорошо очищена от шлама, осколков твердого сплава с помощью специальной ловушки. Тщательно проверяют все оборудование, обвязку насоса и устья скважины, бурильные трубы и саму ударную машину.

При выходе из строя гидроударника, зашламовании колонкового снаряда или самозаклинивания керна может резко повышаться давление в напорной магистрали. В этом случае рекомендуется приподнять снаряд над забоем, увеличить частоту вращения и плавно опустить его на забой. Если при повторении этой операции давление в нагнетательной системе не снижается, следует поднять снаряд на поверхность.

Продолжительность рейса. Как указывалось ранее критерием окончания углубки в рейсе может быть ряд показателей или факторов.

Рекомендуется прекращать бурение при снижении мгновенной скорости бурения до 1/3—1/4 от начальной, которая может достигать величины: в породах VII категории по буримости — 3 см/мин; VIII категории по буримости — 2—3 см/мин; IX категории по буримости —2 см/мин и в породах X категории по буримости —

1. см/мин. Прекращение рейса по другим причинам, в частности, при осложнениях, предусматривается в конкретных условиях инструкциями или специальными указаниями, а также основывается на опыте бурового персонала. Величина углубки скважины за рейс, по данным практики, может в среднем составлять: в породах VIII категории по буримости — 3—4 м, в породах IX категории по буримости —2—3 м; в породах X категории по буримости — 1—2 м и XI категории по буримости — в пределах 1 м.

Для заклинивания и удержания керна в снаряде при УВБ с гидроударниками используют кернорвательные устройства цангового типа: К115Ц, К93Ц, КЦ76МВ и КП59-1 конструкции СКБ НПО «Геотехника».