книги из ГПНТБ / Куличихин Н.И. Разведочное бурение учебник

кернорватель, который срывает керн от забоя. Поднятая коронка отвертывается и осматривается. Керн из колонковой трубы извле­ кается.

Алмазную коронку следует заменить в случае: а) механического повреждения коронки;

б) появления на торце коронки круговых борозд вследствие отсутствия полного перекрытия рабочего торца алмазами;

в) сильного оголения алмазов; г) износа коронки по диаметру.

Изцосившиеся алмазные коронки отправляют на завод, где мат­ рицу растворяют в соответствующих кислотах и отбирают алмазы, которые можно вторично использовать в коронках.

При бурении алмазными коронками скорость вращения часто принимается в пределах 250—1000 об/мин. Осевая нагрузка при­ нимается из расчета от 40 до 100 кгс на 1 см2 рабочего торца коронки в зависимости от насыщенности торца алмазной коронки алмазами.

За рубежом в зависимости от буримости горных пород применяют однослойные или импрегнированные буровые коронки.

Важной особенностью алмазной коронки является весьма малый зазор между поверхностью матрицы и породой забоя сква­ жины. Величина этого зазора зависит от величины выступа алмазов из матрицы, которая для однослойных коронок составляет от 0,32 мм (при 10 алмазах на карат) до 0,16 мм (при 100 алмазах на карат). Величина зазора в процессе бурения всегда меньше величины выступа алмазов вследствие их проникновения в породу.

В этих условиях особое значение для производительности буре­ ния имеет быстрота очистки забоя от бурового шлама, и этот фактор в породах невысокой твердости даже превалирует над фактором собственно разрушения породы.

Однослойные коронки должны применяться в породах более или менее однородных, монолитных или слаботрещиноватых, легко раз­ буриваемых алмазами, — глинистых сланцах, известняках, мерге­ лях, мраморах, доломитах, кристаллических изверженных и мета­ морфических породах (сиениты, габбро, базальты, порфирита, гра­ ниты, гнейсы, пегматиты и др.).

Импрегнированные коронки применяют в породах, которые трудноразбуриваются алмазами, обусловливая низкую механи­ ческую скорость и большой расход алмазов. К таким породам отно­ сятся: конгломераты, валунно-галечные отложения, твердые дробле­ ные породы в зонах смятия, монолитные железистые кварциты, яшмы, тактониты, джеспилиты и другие весьма твердые породы.

Для производительного бурения однослойные коронки должны иметь следующие конструктивные особенности:

а) матрица — литая или изготовленная методами порошковой металлургии, твердость (в зависимости от степени абразивности шлама) HRC 10—15, 15—25, 25—35, 35—45 и 45—55. Чем порода абразивней, тем тверже матрица;

б) величина алмазов выбирается в зависимости от твердости породы

•ее физического состояния (трещиноватости, выветрелости, зернисто­ сти), а также глубины и диаметра скважины. Чем тверже порода, тем мельче должны быть алмазы. Для бурения глубоких скважин обычно применяются более крупные алмазы;

в) величина выступа алмазов из матрицы должна быть макси­ мальной — до 25% их диаметра. Для бурения трещиноватых раз­ ностей крепких пород рекомендуются коронки с меньшим выступом алмазов из матрицы — до 10% их диаметра;

г) размещение алмазов в рядах сгущенное, с расчетом почти полного перекрытия всей ширины торца каждым рядом алмазов. Размещение рядов алмазов, наоборот, разреженное, для обеспечения свободного и быстрого выноса промывочной жидкостью выбуренных частиц;

д) сорт алмазов выбирается в зависимости от абразивности шлама данной породы, т. е. ее способности изнашивать алмазы. Для бурения более твердых пород применяются алмазы лучшего сорта (округлен­ ные, блестящие октаэдры и додекаэдры, без трещин, пятен и вклю­ чений). В менее твердых породах применение округленных высоко­ сортных или овализованных алмазов нецелесообразно: несмотря на больший срок службы коронок, они обходятся дороже, а скорость бурения ими ниже;

е) промывочная система коронок должна обеспечивать быстрый вынос всего шлама с забоя. В мягких породах этот фактор определяет величину механической скорости бурения. Число промывочных канавок для коронок разных диаметров изменяется от 4 (для коронки

в сложных условиях число промывочных канавок устанавливается опытным путем;

ж) профиль режущей части коронки выбирается в зависимости от конкретных условий. Для пород с низким выходом керна (мягкие породы и породы с перемежаемостью твердых и мягких прослоев) рекомендуются коронки с профилем торца в форме купола или полу­ купола; для хрупких, слабосвязанных и размываемых пород—коронки ступенчатого профиля с выводом промывочных каналов на режущую поверхность верхней ступени торца. При бурении глубоких скважин применяется «закругленный» профиль торца, причем радиус закруг­ ления должен бытьравен примерно половине толщины стенки коронки.

Импрегнированные коронки первоначально предназначались для бурения в очень крепких ожелезненных трещиноватых породах и в слабосвязанных конгломератах, в которых однослойные коронки очень быстро выходили из строя. В последнее время импрегнирован­ ные коронки применяют в любых породах, если абразивные свой­ ства их достаточны для истирания матрицы. Импрегнированные коронки успешно применяются в кристаллических сланцах, амфибо­ литах, сиенитовых порфирах и других породах высокой крепости.

Износ матрицы импрегнированной коронки в процессе бурения должен несколько опережать износ алмазов, чтобы по мере их сраба-

тывания своевременно обнажались новые зерна алмазов. Основная задача подбораимпрегнированнойкоронкисводится к выбору матрицы такой износостойкости, чтобы степень износа алмазов и матрицы была равномерной. В более твердых породах алмазы изнашиваются быстрее. Но, с другой стороны, шлам твердых пород малоабразивен, количество его мало и поэтому абразивное действие шлама на матрицу

Производительность импрегнированной коронки зависит не только от твердости и износостойкости матрицы, но и от величины зерен алмазной крошки, причем коронки с более мелкими зернами лучше работают в более твердых породах.

Преимущества импрегнированных коронок заключаются в сле­ дующем:

1) сокращается потребление дефицитных сортовых алмазов за счет использования дробленых низкосортных алмазов, непригодных для армирования однослойных коронок, а также отработанных алмазов, извлеченных из однослойных коронок и негодных для даль­ нейшей переставки в однослойные коронки;

2)потеря алмазов в импрегнированных коронках вследствие скалывания меньше, чем у однослойных коронок, они лучше про­ тивостоят ударным нагрузкам и менее чувствительны к некоторым нарушениям правил эксплуатации коронок;

3)благодаря более малым осевым нагрузкам, при которых ведется бурение импрегнированными коронками, скважины искривляются менее, а буровое оборудование изнашивается в меньшей степени;

4)промышленное производство импрегнированных коронок менее

трудоемко, поскольку отпадает расстановка алмазов по определенной схеме. Коронки при бурении используются до конца, и поэтому исключается работа по переставке алмазов.

Недостатками импрегнированных коронок являются: а) меха­ ническая скорость бурения, по сравнению с однослойными, меньше; б) коронки часто теряют диаметр, и их приходится преждевременно заменять; в) подбор нужной матрицы иногда затрудняется из-за разнообразия свойств буримых пород.

Производительность алмазного бурения при правильно выбран­ ной коронке зависит от режима бурения: осевой нагрузки на коронку, скорости ее вращения и режима промывки. Это положение, общее для вращательного бурения, приобретает при алмазном бурении особое значение вследствие резкой реакции мелкоалмазной коронки на нарушение правильного соотношения между указанными режим­ ными параметрами.

На процесс алмазного бурения сказывается влияние многочислен­ ных переменных факторов, и поэтому вопрос о режимах бурения должен рассматриваться раздельно по группам пород со сходными физико-механическими свойствами. В общем случае при алмазном бурении рекомендуется применять высокие скорости вращения, при­

2)скорость вращения — 400—1200 об/мин;

3)расход промывочной жидкости — 40—60 л/мин.

При таком режиме в породах IX, X и частично XI категорий достигнуто:

1)механическая скорость бурения — 1,5—2,5 м/ч;

2)проходка на коронку от 10 до 45 м;

3)расход алмазов — 0,8—1,5 карат/м.

Дальнейшее повышение твердости синтетических алмазов и повы­ шение износостойкости коронок позволит значительно расширить область применения сверхтвердых синтетических материалов в бу­ рении.

§ 4. ДРОБОВОЕ Б У Р Е Н И Е

Дробовое бурение применяется в породах VII—XII категорий. Обычно дробовым бурением проходят вертикальные и круто­ наклонные скважины (под углом до 70°). Неглубокие скважины

бурятся дробью и под более пологими углами.

Наклонные скважины, буримые дробью, искривляются в сторону выполаживания. Буровой снаряд состоит (рис. 92, а) из стальной дробовой коронки 1, колонковой трубы 2, тройного переходника 3, шламовой трубы 4 и колонны бурильных труб 5.

Вверхней части дробовая коронка имеет конусную внутреннюю расточку и наружную резьбу под колонковую трубу.

Внижней части дробовой коронки делается прорез, предназна­ ченный для питания забоя скважины дробью. Через прорез посту­

пает под торец коронки дробь и проходит значительная часть про­ мывочной жидкости. Прорез делается с наклонными параллельными дугообразными стенками (под углом 70°). Ширина прореза берется равной 1/5—1/6 длины средней окружности коронки, высота h равна 130—160 мм.

Наиболее часто применяются дробовые коронки диаметром 91, 110, 130 и 150 мм с толщиной стенки 10 см. Исследования показали,

Дробовые коронки изготовляются из стали марок Ст. 40Х и ЗОХГС, из трубных заготовок или путем штамповки из целого материала (рис. 92, б).

Буровая дробь бывает двух видов: 1) чугунная литая дробь;

2)стальная дробь-сечка.

Буровая чугунная дробь отливается из серого или легирован­

ного чугуна.

Размеры дроби по диаметру 2,5; 3; 3,5 и 4 мм. Наиболее употре­ бительна чугунная дробь диаметром 3—3,5 мм.

в породах IX —XI категорий.

Для изготовления дроби-сечки может быть применена стальная проволока марок Ст.60, Ст.70, Ст.У7, У8 и ОВС.

Периодическое питание рекомендуется при дробовом бурении пород X I—XII категорий.

Рейсовое питание скважины дробью заключается в том, что в сква­ жину засыпается на рейс только одна порция дроби, достаточная на время работы дробовой коронки до износа ее прореза на —70% высоты. Вес рейсовой порции буровой дроби зависит от диаметра скважины, толщины стенки коронки и сорта дроби.

Засыпку рейсовой порции дроби можно производить при бурении вертикальных и крутонаклонных скважин в монолитных породах через устье скважины перед спуском бурового снаряда. При бурении скважин в трещиноватых породах, а также наклонных скважин следует засыпать дробь через бурильную колонну. Перед засыпкой рейсовой порции дроби надо приподнять буровой снаряд над забоем. После засыпки дроби включают насос, а затем производят продви­ жение снаряда через дробь к забою скважины с усиленной промыв­ кой (5—6 л/мин на 1 см наружного диаметра коронки).

Продвижение бурового снаряда через дробь к забою скважины должно сопровождаться разбуриванием ее стенок.

Питание забоя скважины дробью осуществляется через прорез дробовой коронки без специального отрыва снаряда от забоя (без расхаживания снаряда) и регулируется потоком промывочной

жидкости.

При рейсовом питании расход чугунной дроби за 1 ч чистого бурения составляет в среднем 2—3,5 кг в зависимости от диаметра коронки. При мелкопорционном питании скважины дробью расход

ееуменьшается по сравнению с рейсовым.

Расход стальной дроби-сечки в 4—6 раз меньше расхода чу­

гунной.

При рейсовом питании скважин дробью следует исходить из дли­ тельности работы коронки на забое (3—6 ч) и расхода дроби за 1 ч работы коронки. При этом учитывается, что в конце рейса на забое еще должна быть работоспособная дробь.

Примерная норма засыпки дроби-сечки: на 1 см диаметра дро­ бовой коронки 150—300 г в зависимости от стойкости дроби и

абразивности буримых пород.

Нагрузка на дробовую коронку зависит от качества дроби и диа­ метра дробовой коронки. Исходной величиной является удельное давление, т. е. давление на 1 см2 рабочего торца дробовой коронки.

Для чугунной дроби удельное давление q принимается в пределах от 20 до 30 кгс/см2 (тем выше, чем качественнее дробь).

Для стальной дроби-сечки удельное давление повышают до а = 30 -f- 50 кгс/см2. Полная нагрузка на коронку определяется по формуле

где D — наружный диаметр дробовой коронки в см; d — внутренний диаметр коронки в см; ф — коэффициент, учитывающий уменьшение опорного торца дробовой коронки за счет прореза (ф = 0,7 -г- 0,8).

Скорость вращения инструмента принимается в пределах от 120 до 300 об/мин и берется тем больше, чем меньше диаметр дробовой коронки.

Так как в процессе рейса уменьшается размер прореза, а при рейсовом питании и размер дроби, то и количество подаваемой в скважину жидкости постепенно в течение рейса уменьшают.

Количество подаваемой жидкости можно определить по формуле

приходящийся на 1 см диаметра дробовой коронки; в начале рейса принимается q0 = 3,5 4,5 л/см; в конце рейса q0 = 2 -г- 2,5 л/см.

Дробовый шлам абразивен. Поэтому колонковые трубы быстро изнашиваются, особенно на нижнем конце, что нередко приводит к обрыву коронки. Как показала практика, целесообразно приме­ нять толстостенные колонковые трубы с толщиной стенки 6—8 мм, с наружной резьбой на нижнем конце.

Дробовые коронки в этом случае должны иметь внутреннюю резьбу.

Перед заклиниванием керна прекращают вращение бурового снаряда, замеряют проходку за рейс, глубину скважины и произ­ водят интенсивную промывку для удаления шлама с забоя.

Заклинивание керна производится битым стеклом, кусочками крепкой породы, медными и алюминиевыми жгутами или буровой дробью. Размер заклиночного материала должен соответствовать размеру зазора между керном и внутренней поверхностью коронки.

Убедившись, что керн заклинен, производят его отрыв от забоя и подъем. После извлечения колонкового снаряда немедленно начи­ нают спуск второго, заранее подготовленного. Отбор и документа­ ция керна и подготовка бурового снаряда для следующего рейса производятся за время бурения.

Бескерновое бурение стальной дробью

При детальной разведке стали применять бескерновое дробовое бурение, которое позволяет в 2—3 раза и более увеличить рейсовую проходку при одновременном повышении механической скорости.

Дробовая коронка для сплошного бурения соединяется непосред­ ственно с утяжеленными бурильными трубами, которыми и создается большая нагрузка на забой.

На рис. 92, в представлена литая дробовая коронка для бурения сплошным забоем с центральным каналом для подачи дроби и про­ мывочной жидкости. Особенно эффективно работают такие коронки при проходке трещиноватых пород, во время бурения которых стан­ дартными коронками имеют место частые саморасклинки керна.

Одним из достоинств этого способа является то, что бурильная колонна работает в легких условиях. Отсутствие вращения колонны при бурении исключает возможность возникновения опасных вра­ щающих моментов, а отсутствие контакта с забоем сводит напряжение в колонне к напряжениям от собственного веса.

Другим достоинством является возможность искусственного откло­ нения скважины без применения специальных отклонителей. Для этого достаточно соответствующим образом изогнуть бурильную трубу, с которой соединяется шароструйный снаряд (рис. 93, б). Отклоне­ ние возможно в любую сторону. Для отклонения скважины в опре­ деленном направлении необходима ориентация снаряда по определен­ ному азимуту.

Третьим достоинством является большая продолжительность рейса. Износ стальных шариков незначителен, в случае необходи­ мости их можно добавлять без прекращения процесса бурения путем непосредственной засыпки через устье скважины (разумеется, при отсутствии в скважине нарушенных зон, в которых возможно погло­ щение шариков).

Представляет также интерес идея шароструйного бурения без применения бурильных труб. Для подвода основного потока в этом случае используется обсадная колонна, в нижней части которой в специальном башмаке располагается шароструйный снаряд. Спуск снаряда происходит за счет его свободного падения внутри обсадной колонны, подъем осуществляется специальным ловителем, спуска­ емым на стальном канате. Этот метод позволит резко сократить время на спуско-подъемные операции. Предварительные опыты в этом напралении показали, что описанная схема вполне осуществима.