Твердосплавное бурение одинарными колонковыми наборами

Твердосплавными коронками проходят до 40% объема геологоразведочных скважин от I – IX категорий по буримости. К технологическим параметрам относятся осевая нагрузка, частота вращения снаряда и количество очистного агента. Влияние режимных параметров на механическую скорость проходки неодинаково при бурении различных пород.

1. Осевая нагрузка рассчитывается по формуле:

P=p₀m,

где P – осевая нагрузка на коронку, даН, р₀ – удельная осевая нагрузка на один

основной резец, даН (табл. 25); m – количество основных резцов, шт.

При бурении в начальных интервалах нагрузку следует принимать по номинальному пределу и постоянно повышать до максимально допустимых значений. Проходка абразивных, трещиноватых и перемежающихся по твердости, неоднородных по составу горных пород требует снижения осевой нагрузки на 30-50% против расчетной, а при бурении более твердых пород – повышения до допустимых пределов.

2. Частота вращения вычисляется по формуле:

^,

где n – частота вращения, об/мин; V_окр – окружная скорость, м/с (табл.25); D_н и D_в – соответственно наружный и внутренний диаметры коронки, м.

При увеличении глубины скважины частота вращения должна уменьшаться через каждые 200 – 300 м бурения. Частота вращения при бурении монолитных малоaбразивных пород подбирается максимально возможной. В мягких породах (II-IV категорий по буримости) частота вращения увеличивается до значений, при которых окружная скорость не превышает 2,5-3,0 м [24]. При встрече пропластков более твердых пород или включений галечника и валунов частота вращения уменьшается, как и при бурении трещиноватых пород на 20-25 % против расчетной. Минимальные значения частоты вращения рекомендуются при бурении абразивных пород.

3. Расход промывочной жидкости зависит от геолого-технических условий (табл.10), угла наклона и глубины скважины, типа коронки, ее размера и скорости восходящего потока. При колонковом бурении необходимое количество жидкости приближенно определяют по формуле:

V₀=kD_н,

где k – удельный расход промывочной жидкости на 1 см диаметра коронки, л/мин (табл. 35), D_н – наружный диаметр коронки, см.

Таблица 35

Рекомендуемый удельный расход промывочной жидкости в зависимости от категории пород по буримости и группы коронок

Большим частотам вращения бурового снаряда соответствует большее количество промывочной жидкости. На выбор удельного расхода очистного агента влияет категория пород по буримости: большие значения k – меньшей категории по буримости и меньшие значения – большим значениям категорий по буримости горных пород. Если встречаются рыхлые и мягкие породы, то подаваемую в скважину промывочную жидкость следует ограничивать. При переходе с монолитных малоабразивных и нетрещиноватых пород в абразивные и трещиноватые расход промывочной жидкости рекомендуется увеличивать. С целью сохранности керна в сильнотрещиноватых породах расход очистного агента следует снижать на 15-20%.

Алмазное бурение может быть эффективно только при определенном сочетании режимных параметров.

1. Осевая нагрузка для однослойной коронки:

Р= 0,055 Qp_ш./D_а, Р = 2/3QZp_у , даН,

для импрегнированной коронки:

Р= 0,055 Qp_ш./h,

где Q – масса объемных алмазов, кар; (табл.23, 24); p_ш – твердость породы, Н/мм² (прил.1 П); D_а – средний условный диаметр зерен объемных алмазов, мм (зависит от зернистости алмазов); Z – зернистость объемных алмазов, шт/кар; p_у – рекомендуемая удельная нагрузка на алмаз, даH (3-10); h – высота отрабатываемой части матрицы коронки, мм (h=4¸5) [14].

Рекомендуемые удельные нагрузки на алмаз составляют 3-10 даН, более высокие – 12-14 даН – применяются при бурении глубоких скважин. Чем меньше размер алмазного зерна, тем меньшая удельная нагрузка. Минимальные нагрузки применяются при бурении пород средней твердости, по мере повышения твердости нагрузки увеличиваются (например, для коронки 01А4Д30К30-59 зернистость объемных алмазов Z = 30 шт/кар, удельная нагрузка р_у = 8,5 даН).

Осевую нагрузку необходимо снижать при бурении пород III-V групп по трещиноватости (см. табл. 6), а также перемежающихся по твердости и косослоистых пород на 20-50% от рекомендуемых для нормальных условий.

Технологический режим бурения алмазными коронками одинарными колонковыми снарядами (ОКС) подбирают на основе общих закономерностей процесса бурения скважин в соответствии с характером разбуриваемых пород, конструкцией скважины и типоразмерами породоразрушающего инструмента.

Осевая нагрузка подбирается исходя из прочности и износостойкости алмазных резцов и твердости пород. Зная количество торцовых алмазов, допустимое значение удельной нагрузки, исходя из прочности алмазных резцов, можно определить осевую нагрузку [4, 7, 10]. С увеличением трещиноватости механическая скорость бурения повышается в 1,1-1,8 раза, расход алмазов возрастает в 1,5-2,5 раза. Основная причина увеличения расхода алмазов – ударный характер процесса разрушения пород. С ростом твердости пород влияние трещиноватости и ударный характер процесса усиливаются. Чтобы снизить энергию ударов, снижают частоту вращения коронки и осевую нагрузку на неё до 40-50% по сравнению с бурением монолитных пород.

При бурении по мягким пластичным породам, способным слипаться и закупоривать промывочные каналы, осевую нагрузку следует снижать до минимальных значений. С увеличением твердости пород и по мере притупления резцов коронки осевая нагрузка должна повышаться. При бурении трещиноватых или переслаивающихся пород с резким различием по твердости следует уменьшать рекомендуемые нагрузки на 30-50% против оптимальных (от 500-700 до 750-1200 даН в зависимости от групп пород по трещиноватости). Обычно в производственных условиях осевая нагрузка колеблется в пределах 800-1200 даН.

2. Частота вращения бурового снаряда рассчитывается по следующим формулам:

(для пород VIII-IX категорий по буримости V_окр = 3-4 м/с, X-XI категорий по буримости V_окр = 2-3 м/с, XII категории V_окр = 1,5-2 м/с),

,

где D_н, D_вн – наружный и внутренний диаметры коронки соответственно, м; р_ш – твердость породы, ГПа (1ГПа=1×10⁹ Па; для пород VII-XII категорий по буримости 2,0< р_ш <8,0 ГПа) [9, 14], прил.1П.

Частота вращения должна изменяться с учетом конкретных условий бурения. Высокие значения частоты вращения и осевой нагрузки рекомендуются при бурении неглубоких скважин диаметром до 59 мм в твердых породах, достаточно однородных, малоабразивных. При частотах менее 250 об/мин бурят твердые кварцевые ожелезненные (яшмы, джеспилиты, роговики), сильнотрещиноватые, весьма абразивные и неоднородные (с часто перемежающейся твердостью) породы.

При бурении в мягких породах II-IV категорий по буримости частота вращения бурового снаряда повышается при значении окружной скорости не более 2,5-3 м/с. Так, при проходке трещиноватых пород она уменьшается, как и при переходе в более абразивные. Снижение частоты необходимо при бурении в разрезах с пропластками более твердых пород или с включениями валунов и галечников. Максимальные частоты выбирают при проходке хрупких, упруго-хрупких (кристаллических изверженных, метаморфических I-III групп по твердости) пород. Ее необходимо снижать при бурении очень твердых пород и при использовании специальных режимов бурения.

3. Расход очистного агента (V₀ в м³/с и л/мин) может быть рассчитан по

формулам: V₀=k , м³/с;

V₀=k_y D, л/мин,

где k – коэффициент, учитывающий неравномерность скорости потока по стволу скважины (k=1,1¸1,3); D – диаметр скважины в интервале бурения, м; d – наружный диаметр бурильных труб, м; V – скорость восходящего потока очистного агента в кольцевом пространстве (0,4-0,8), м/с; k_y – удельный расход на 1 см диаметра коронки (k_у = 0,2-0,9 л/мин).

Режим промывки скважины – важный показатель работы алмазного инструмента. Удельный расход принимают k_у = 4¸8 л/мин на 1 см диаметра коронки. При бурении мягких пород рекомендуемые значения k_у большие, в твердых–меньшие. В соответствии с разработанными ВИТРом рекомендациями следует задавать большие количества промывочной жидкости при бурении в абразивных и трещиноватых породах. Расход очистного агента следует увеличивать с ростом глубины скважины и механической скорости бурения.

Большие значения скорости восходящего потока следует принимать при высоких скоростях бурения, меньшие – когда проходимые породы неустойчивы и легко размываются [14].

Режимы бурения со съемными керноприемниками рекомендуется выбирать на основе соответствующих инструктивных указаний по технологии

бурения скважин ССК [4, 7, 10, 15-17]. Рекомендуемые частоты вращений при бурении в плотных породах VIII-X категорий по буримости 550¸1200 об/мин, осевая нагрузка 500¸2000 даН. Режим промывки несколько отличается от обычного режима бурения: V_bocx = 0,5-1,0 м/с при расходе от 20 до 30 л/мин принимается для ССК-46 и до 30-100 л/мин – для КССК. Рекомендуется применение полимерных и эмульсионных промывочных жидкостей.

Применение двойных колонковых наборов вызвано трудностями отбора кондиционного керна в сложных геологических условиях. При этом особенно важно обеспечить соосное вращение колонкового набора. Предусматриваются меры борьбы с вибрацией. Осевая нагрузка определяется площадью матрицы алмазной коронки и составляет 0,3-1,5 кН на 1 см² торца матрицы. Количество промывочной жидкости следует выбирать в пределах 0,7-1,5 л/мин на 1 см² торца матрицы. Для наборов эжекторного типа расход жидкости увеличивается до 80-150 л/мин. Частота вращения 300-500 об/мин.

Бескерновое бурение долотами шарошечными, лопастными, алмазными при вращательном способе характеризуется следующими параметрами режима бурения:

1. Осевая нагрузка

Р=р_удD ,

где P – осевая нагрузка на долото, даН; р_уд – удельная осевая нагрузка на 1 см диаметра долота, даН (табл.36); D – диаметр долота, см.

Для алмазных долот удельные нагрузки (кН/м) находятся в пределах 240–400. При забуривании скважины осевая нагрузка на долото принимается в пределах 10-20% от рекомендуемой. При бурении сильнотрещиноватых пород необходимо снижать осевую нагрузку, принимая минимальные величины. Допустимая нагрузка на долото в зависимости от диаметра (мм) колеблется в пределах от 20 кН до 120 кН.

2. Частота вращения бурового снаряда

n =60V/pD,

где n – частота вращения бурового снаряда, об/мин; D – диаметр долота, м; V – окружная скорость вращения долота, м/с (табл.37).

Таблица 36