7.1.2. Разработка режима высокооборотного алмазного бурения

Основные принципы разработки технологии высокооборотного бурения определяются требования отраслевой методики (см. главу 6).

Величина углубки за оборот  определяется исходя из категории пород по буримости, зернистости алмазов, соответствующих твердости пород, и ограничивается значениями, характеризующими заполирование и повышенный износ алмазов; граничные значения углубок приведены в табл. . При их расчете учитывалось следующее: выпуск алмазов из тела матрицы составляет для однослойных коронок не более 25% диаметров алмаза, для импрегнированных – 10%; число секторов у коронок – 4; для однослойных коронок значение углубки следует принимать, исходя из условия ,r_a/4, для импрегнированных – расчетную.

Частота вращения выбирается как максимально возможная в данных условиях и ограничивается прочностью колонны бурильных труб, мощностными показателями привода станка, а также степенью трещиноватости горных пород. По найденным значениям углубки и частоты вращения определяется рекомендуемая механическая скорость бурения, которую необходимо поддерживать в течение рейса (при условии неизменной твердости горной породы).

Механическая скорость бурения поддерживается соответствующим изменением осевой нагрузки на коронку и расходом промывочной жидкости, подаваемой в скважину.

Оперативный контроль за ходом процесса ведется по изменению механической скорости бурения и мощности, затрачиваемой на бурение. Временной интервал контроля при этом не должен превышать 5 мин, т.к. в противоположном случае теряется связь между осевой нагрузкой и V_мех.

Послерейсовый контроль заключается в осмотре коронки, замере ее износа, определении степени отработки и пригодности ее к дальнейшей эксплуатации в соответствии с правилами рациональной системы отработки алмазных коронок. В случае недостаточного для заданных условий выпуска алмазов, коронка определяется на электрохимическую заточку (ЭХЗ).

Структура разработки режима и управления процессом бурения при использовании показателя «углубка за оборот коронки» показана на рис. .

Особенности управления процессом бурения. При выборе параметров режима бурения и управлении ими в процессе бурения необходимо учитывать некоторые особенности этого метода.

В табл. приведен широкий диапазон значений углубок , соответствующий нормальному протеканию процесса. Учитывая случайный характер самого процесса бурения, необходимо в конкретных условиях провести уточнение значений углубок и выбрать те из них, которые соответствуют (но не превышают) нормативному износу коронок и расходу алмазов. Для этого рекомендуется использовать номограмму (рис. ), которая построена на основании производственных норм расхода алмазов. Практика показывает, что при бурении твердых горных пород нижний предел значений углубок должен быть не менее 0,02 мм/об, верхний – не более 0,10-0,12 мм/об.

В случае если выбранный (или имеющийся в наличии) тип породоразрушающего инструмента не имеет достаточного выпуска алмазов из тела матрицы и не в состоянии обеспечить достаточный межконтактный зазор и соответствующую механическую скорость, коронку следует подвергнуть электрохимической заточке. Это же относится и к коронкам, уже бывшим в употреблении.

При выборе и поддержании частоты вращения за максимально возможную в данных условиях (с учетом ограничений по прочности колонны и мощности привода) следует принимать ту, при которой сохраняются одинаковые темпы роста V_мех и n. Если это условие нарушается из-за недостаточной мощности привода, следует возвратиться на ближайшее значение частоты вращения, удовлетворяющее поставленному условию. Проверку соответствия n и V_мех условию обеспечения роста сменной производительности с учетом глубины скважины, длины колонкового снаряда и времени спуско-подъемных операций рекомендуется проводить по номограмме (рис. ). Порядок работы с номограммой заключается в определении для конкретных условий отношения длины колонковой трубы и времени одной спуско-подъемной операции и нахождения затем по номограмме значения V_мех, при котором обеспечивается прирост сменной производительности П_см.

Пример: при глубине скважины L = 1000 м и длине колонковой трубы l_к = 3 м отношение l_к/Т_спо = 3,0/2,3 = 1,3. Этому значению соответствует прирост П_см при увеличении V_мех до 4 м/с. Дальнейший рост V_мех практически не изменяет П_см. Следовательно, применять значения V_мех свыше 4 м/ч нецелесообразно.

Выбранная частота вращения должна обеспечивать стабильный характер работы колонны бурильных труб (без сильных вибраций). Критерием стабильной работы может служить амплитуда колебаний расхода мощности на диаграммах ваттметров-самописцев любого типа: при размахе колебаний амплитуды, не превышающих 2 кВт от общего уровня затрат мощности, обеспечиваются наилучшие показатели бурения.

Оптимальная углубка поддерживается в течение рейса изменением осевой нагрузки на коронку. Для определения начальной нагрузки и диапазона ее возможного изменения с учетом прочностных свойств алмазов и допустимых нагрузок на колонну труб следует придерживаться загрузочных характеристик коронок в соответствии с рекомендациями [ ].

Для облегчения работы бурильщика рекомендуется номограмма (рис. ) для определения допустимых нагрузок на коронку (правая часть номограммы) или на торцевой алмаз (левая часть). На номограмме показана область оптимальных нагрузок с учетом границ заполирования и повышенного износа алмазов. Суммарное значение осевой нагрузки для однослойных коронок определяется непосредственно из номограммы, для импрегнированных коронок результат делится на 4.

При определении режима приработки новой коронки или заточенной ЭХЗ рекомендуется учитывать, что первоначально работает около 20% торцевых алмазов, а по мере приработки коронки число их достигает 75-80%. Исходя из этого, начальную осевую нагрузку приработки можно находить расчетным способом.

Для однослойных коронок:

Р_на = 0,65 · m · z · F_н (0,2-0,8) даН,

где m – масса алмазов в коронке, кар; z – зернистость алмазов, шт/кар; F_{н –} рекомендуемая минимальная нагрузка на алмаз (4-5 даН).

Для импрегнированных коронок:

Р_ни = (0,2-0,8) ·А_с ·р,

где А_с – площадь торца коронки, см²; р = 30…50 даН/см² – рекомендуемая минимальная нагрузка на единицу рабочей площади торца коронки.

Расход очистного агента устанавливается в зависимости от частоты вращения бурового снаряда и гидравлической характеристики алмазной коронки. При этом рекомендуется использовать разработанную номограмму определения расхода промывочной жидкости на один канал коронки в зависимости от линейной скорости вращения коронки, отношения длины и ширины канала и проходного сечения канала по торцу коронки (рис. ). При работе с номограммой необходимо учитывать следующее ограничение: расход жидкости на 1 канал не должен быть выше 11-14 л/мин из-за возникающего гидравлического подпора и усиливающегося угнетающего действия потока на продукты износа на забое скважины.

При подклинивании керна в колонковом наборе следует провести его ликвидацию и, если это удастся, продолжить бурение, поддерживая _опт; в противном случае, рейс надо прекратить.

При склонности коронки к заполированию необходимо проводить ее заточку, переходя на пониженные значения расхода промывочной жидкости, добиваясь возвращения к _опт; при невозможности предотвратить заполирование рейс прекратить, а коронку отправить на ЭХЗ.

Оперативный определитель скорости бурения (ООСБ). Для удобства пользования приведенной выше методикой в условиях буровой рекомендуется устройство для оперативного определения оптимальных значений механических скоростей бурения для пород VII-XII категорий по буримости в зависимости от заданной углубки за один оборот коронки и частоты ее вращения.

Техническое решение данного приспособления (рис. ): ООСБ состоит из двух пластин прозрачного органического стекла, между которыми закреплен лист ватмана. На листе помещены номограммы определения V_{мех.опт} в зависимости от углубки за один оборот коронки и частоты вращения, а также справочная таблица значений углубок^* от категории пород по буримости и зернистости объемных алмазов в коронке. Сверху пластин свободно ходит бегунок, на котором нанесена шкала углубки . Составные части ООСБ скреплены винтами.

Принцип работы с ООСБ. Из приведенной на устройстве таблицы соответственно категории пород по буримости К выбирается тип алмазного инструмента по зернистости объемных алмазов Z. Каждому типу алмазного инструмента соответствуют значения максимально и минимально возможных углубок за оборот коронки _mах и _min, значения которых зависят от размеров алмазов d_a. Эти углубки характеризуют технические возможности инструмента, причем _min - порог заполирования. Кроме этих значений  в таблице указаны оптимальные значения:  _опт.mах и  _опт.min. Первые рекомендуется применять при нормальном процессе бурения (монолитные, слаботрещиноватые, трещиноватые породы с удельной кусковатостью К_у  30 шт/м), вторые – при различных осложнениях (сильная трещиноватость, перемежаемость, наличие вывалообразований). Превышение  _опт.mах приводит к резкому износу коронок (при бурении в монолитных, слаботрещиноватых твердых породах).

Выбранное значение углубки  _опт. с помощью бегунка совмещается с одним из радиальных лучей номограммы, показывающим применяемую частоту вращения бурового снаряда. С левой вертикальной шкалы номограммы снимается искомое значение V_мех, которое следует поддерживать в течение рейса.

Так как в номограмму ООСБ заложен принцип линейной зависимости  от V_мех и n, то по ней можно определить при  = const значение V_мех (для любого n до 1500 мин ^-1), при котором выполняется условие одинакового темпа роста V_мех и n при увеличении частоты вращения. Благодаря этому ООСБ можно использовать для контроля соответствия какого-либо значения частоты вращения данному условию и отбраковать это n (в качестве максимально возможного) в случае неудовлетворения ему.