2. Снаряды для колонкового бурения.
Колонковое бурение проводят с целью получения из скважины образцов горных пород (кернов). Керн формируется на забое скважины в процессе ее углубления с помощью породоразрушающего инструмента, который разрушает горную породу лишь по кольцевому забою и оставляет в центре нетронутый целик породы (колонку). Отсюда специфическая особенность конструкции породоразрушающего инструмента для колонкового бурения состоит в том, что его вооружение располагается кольцеобразно вокруг свободного прохода для поступления керна.
Рис.
2.7. Одинарный колонковый снаряд
Задача получения достаточно полноценных образцов из скважины определяет дополнительные требования к породоразрушающему инструменту, который в этом случае должен обеспечивать не только эффективное разрушение породы на забое, но и хорошую сохранность керна при его формировании и поступлении в керноприемную трубу или грунтоноску.
Одна из наиболее важных характеристик колонкового породоразрушающего инструмента — коэффициент керноотбора κотб, равный отношению диаметра кернаdk, к наружному диаметру инструментаDн:
κотб = dk /Dн: (2.3)
Керны отбирают специальными колонковыми наборами {колонковыми снарядами) и грунтоносками различных типов. Простейший колонковый снаряд показан на рис. 2.7. Он состоит из коронки 4, кернорвателя3, колонковой трубы2 и переходника 1.
БУРОВЫЕ КОРОНКИ
Буровая коронка представляет собой кольцо с присоединительной резьбой, у которого резцы располагаются на нижнем торце и боковых поверхностях.
Для бурения в породах используют буровые коронки твердосплавные (ребристые, мелкорезцовые и самозатачивающиеся) и алмазные (мелкоалмазные и импрегнированные).
Твердосплавные коронки армируются резцами из вольф-рамокобальтовых сплавов (ВК) и предназначены для бурения пород от весьма мягких до твердых и абразивныхVIII—IXкатегорий по буримости.
Сплав ВК получают спеканием порошкообразного карбида вольфрама и кобальта. В шифр названия сплава входит содержание кобальта (например, в сплаве ВК8 содержание кобальта составляет 8%). С повышением его содержания плотность твердого сплава и его твердость понижаются.
Отечественные заводы изготовляют коронки для мягких пород и пород средней твердости.
Заготовкой для коронок является короночное кольцо, материалом для которого служит сталь марок 30, 35, 40 или Ст. 4 и Ст. 5. Наружный диаметр кольцаD равен 74, 90, 109, 129 и 149 мм.
Для облегчения циркуляции промывочной жидкости в короночном кольце делают торцовые вырезы-холодильники и боковые промывочные каналы. В пазы торцовой поверхности впаивают резцы твердых сплавов.
Для бурения в мягких разбухающих и липких породах предназначены ребристые коронки. Они позволяют увеличить диаметр скважины и таким образом расширить зазор для прохода промывочной жидкости между колонковым снарядом и стенками скважины. Для увеличения диаметра коронки на ее корпус снаружи наваривают стальные пластины-ребра Число ребер — от трех до шести в зависимости от диаметра и конструкции коронки. В ребра с торцовой стороны впаивают крупные пластинчатые резцы из твердого сплава.
Ребристые коронки нередко имеют ребра, смещенные вверх относительно торца коронки. Такая коронка создает ступенчатый забой, что приводит к интенсификации процесса разрушения пород и облегчает циркуляцию промывочной жидкости.
В породах средней твердости VI—VIIIкатегории по бури-мости и малой абразивности хорошие результаты получены с использованием мелкорезцовых коронок. Их заправляют призматическими резцами квадратного или восьмигранного сечения. В некоторых конструкциях резцы располагаются на разной высоте, что приводит к формированию ступенчатого забоя.
В породах твердых VIII—IXкатегорий по буримости и средней абразивности хорошо работают самозатачивающиеся коронки. Они отличаются тем, что благодаря специальной конструкции резцов эффективность работы коронки практически не изменяется по мере ее срабатывания. Резцы самозатачивающихся коронок состоят из стального штабика и вставки из твердого сплава. Применяются штабики двух видов: цилиндрические с включением игольчатых твердых сплавов диаметром 1,5 — 2,0 мм; призматические с пластиной из твердого сплава толщиной 0,7 мм.
При работе штабика на поверхности забоя его матрица изнашивается быстрее твердого сплава и форма резца примерно сохраняется по мере уменьшения его высоты.
БУРИЛЬНЫЕ ГОЛОВКИ
В нефтяной и газовой промышленности колонковые снаряды принято называть колонковыми наборами или колонковыми долотами (рис. 2.8), а породоразрушающий инструмент в этом случае — бурильной головкой.
Применяются бурильные головки трех типов: лопастные, шарошечные и алмазные.
По ГОСТ 21210 — 75 предусмотрен выпуск лопастных бурильных головок типа М для бурения в мягких, рыхлых породах. Они имеют три лопасти и более.
На практике лопастные головки применяются и для бурения в породах средней твердости. Корпус такой головки отковывают вместе с лопастями. Лопасти затем армируют твердосплавными резцами, которые закрепляют чугунным или латунным припоем. Промежутки между зубками и передние грани лопастей покрывают зерненым твердым сплавом.
Рис. 2.8. Колонковое долото
1— бурильная головка: 2 — керн; 3 — кеноприемная труба;4 — корпус колонкового долота; 5 — шаровой клапан
Иногда лопасти делают разновысокими, и в этом случае короткие наружные лопасти предназначены для калибрования ствола скважины.
Для обработки керна нередко внутреннюю поверхность также армируют твердосплавными резцами. В корпусе создают каналы, по которым промывочная жидкость отводится от керна и направляется к забою.
В слабосвязных мягких породах лопастные головки работают достаточно стабильно, без толчков и ударов и этим создают благоприятные условия для сохранения керна в период его выбуривания.
Шарошечные бурильные головки можно применять для бурения в породах с различными физико-механическими свойствами. В соответствии с ГОСТ 21210 — 75 предусмотрены следующие типы шарошечных долот: МСЗ — для мягких породе ироиластками пород средней твердости; СЗ — для пород средней твердости; СТ — для пород средней твердости с пропластками твердых пород; ТЗ — для твердых пород; ТКЗ — для твердых абразивных пород с пропластками крепких.
Шарошечная бурильная головка имеет сварной корпус с резьбовой головкой.
В породах средней твердости шарошечные головки, как правило, имеют неоспоримые преимущества по скоростям углубления, однако при их работе на забое возникают значительные вибрационные нагрузки, которые могут неблагоприятно сказываться на сохранении керна.
Алмазные бурильные головки рекомендуется применять при бурении с отбором керна на больших глубинах в породах средней твердости и твердых. Нежелательно их использование в трещиноватых породах.
Алмазная бурильная головка состоит из стального корпуса с резьбой и матрицы, оснащенной алмазами. Для предохранения керна от размывающего действия потока промывочной жидкости корпус имеет внутренние каналы, по которым жидкость направляется к забою. Для удаления шлама с забоя и охлаждения торцовая часть матрицы разделена на секторы, между которыми остаются проходы для промывочной жидкости. По форме каналов различают бурильные головки радиальные и спиральные.
Алмазные бурильные головки обеспечивают большие проходки за рейс. При правильном использовании они работают спокойно, вибрации, если и возникают, то имеют ограниченную амплитуду и поэтому не оказывают отрицательного влияния на сохранность керна.
Стандартом предусматривается также производство бурильных головок, оснащенных резцами из материала славутич.