Глава 8

БУРЕНИЕ СКВАЖИН ТВЕРДОСПЛАВНЫМ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИМ ИНСТРУМЕНТОМ

§ 1. Общме сведения

Бурение твердосплавными коронками соответствующего типа осуществляется при необходимости получения керна в мягких и средней твердости породах — от I до VII категорий по буримости. В породах VIII — X категорий по буримости, не содержащих кварц, но абразивных, возможно вести бурение самозатачивающимися коронками типа СА.

Буровой снаряд (БС) при бурении скважин твердосплавными коронками с получением керна обычно состоит из ПРИ, колонковой трубы и переходника с колонковой трубы на бурильные трубы (БТ) или утяжеленные бурильные трубы (УБТ) с соединениями того или иного типа (см. рис. 5.1). При бурении в сложных геологических условиях, в которых возможны прихваты БС, в компоновку может включаться легкоразъемное соединение и шламовая труба. В случае бурения по достаточно прочным породам между коронкой и колонковой трубой включается кернорвательное устройство (КРУ), являющееся одновременно и расширителем. Для сбора шлама БС снабжается шламоулавливающей трубой. Завершается компоновка сальником.

§ 2. Параметры режима и технология бурения твердосплавными коронками

Осевая нагрузка G₀ с увеличением твердости горных пород и по мере притупления резцов должна увеличиваться. Максимальное значение этого параметра определяется характером пород и техническими возможностями применяемого инструмента (качеством, прочностью и вибрацией). При бурении трещиноватых пород и в контактах между слоями с различными механическими свойствами усилие рекомендуется снижать на 30—50%.

Практически величина нагрузки на резец G_y — рекомендуется в зависимости от типа резцов: для пластинчатых —60—100 даН; четырехгранных — 80 — 120 даН; восьмигранных —120 —150 даН; тонкопластинчатых — 30 — 50 даН; цилиндрической формы (игольчатых) — 50—80 даН. Исходя из такой рекомендации, общую величину осевой нагрузки подсчитывают, пользуясь выражением

G_a = G/n, (8.1)

где G_y —нагрузка на 1 резец, даН; т — число основных резцов, участвующих в разрушении породы в забое.

Обычно величина осевой нагрузки колеблется в пределах 800— 1200 даН. С применением УБТ она может быть доведена до 2000 — 3000 даН, что существенно повышает эффективность работы коронок.

Частота вращения п, с которой связана окружная скорость коронки со или скорость резания v_p, имеет не менее важное значение, а влияние этого фактора на механическую скорость бурения еще более сложно. Это связано с изменением времени контакта резцов с породой t_K и величины контактной (опорной) поверхности S_K по мере их износа. Уменьшение t_K и увеличение 5_К с какого-то момента приводят к уменьшению объема разрушаемой породы и снижению механической скорости бурения. Чем тверже порода, тем раньше это наступает.

Такая закономерность объясняется характером разрушения горных пород в зависимости от их механических свойств и, в первую очередь, от твердости. В мягких породах (с твердостью до 100 МПа) преобладает процесс резания, а & более твердых — усталостного разрушения или поверхностного истирания породы. Исследованиями установлено, что усталостное разрушение в твердых породах наиболее успешно протекает при скорости перемещения резцов в пределах 2,5 — 3,0 м/с, что и определяет критическое значение частоты вращения коронки. В случае преобладания процессов резания (в мягких породах) или поверхностного истирания породы критические значения частоты вращения достигают значительно больших величин.

Из теории разрушения горных пород известно, что наибольший эффект наблюдается в том случае, когда время контакта резца с породой в зоне максимального напряжения, возникающего под действием осевой нагрузки, будет соответствовать времени, в течение которого упруго-пластические деформации, формирующиеся под действием перемещающегося резца, распространяются на максимальную глубину. По данным Р. В. Липницкого для карбонатных пород минимальное время контакта t_K = (3,9+1,36) *10'³ с. Полагая, что это время соответствует времени движения резца в пределах зоны максимально напряженной породы, он предложил

определять критическое значение скорости движения резцов или окружной скорости коронки, пользуясь выражением

(8.2)

^окр 0,5D₃ р/^к>

где v_0Kp — окружная скорость коронки; D_3p — диаметр зоны максимально напряженной породы при вдавливании резца; f_K — время контакта резца с породой.

Диаметр зоны максимально напряженной породы зависит от ее свойств и может быть определен опытным путем при вдавливании пуансонов. Для карбонатных пород Р. В. Липницким получена зависимость D_3p = (3,5-s-3,7)d, где d— поперечные размеры (диаметр) пуансона.

Для карбонатных пород установлена рациональная окружная скорость коронки в пределах 2,2 м/с, при которой получена максимальная скорость бурения. Величина предела усталости составляет, по данным Л. А. Шрейнера и Н. Н. Павловой, примерно 1/20—1 /30 часть твердости пород, определяемой по штампу. Определив рациональное значение окружной скорости коронки, вычисляют величину частоты вращения, пользуясь выражением (7.21).

Зависимость механической скорости бурения от частоты вращения для разных пород показана на рис. 8.1.

(Г_и, м/мин

0 200 Ш 600 л, об/мин

Рис. 8.1. Зависимость скорости бурения v_M от частоты вращения п твердосплавной коронкой по различным породам:

1. — песчаник VI категории по буримости;

2. — песчаник VII! категории по буримости;

3. — алевролит V категории по буримости,

4. — мрамор, 5 — суглинки

Удаление продуктов разрушения при всех условиях должно быть достаточно интенсивным. Практически при бурении с промывкой расход жидкости, нагнетаемой насосом, следует определять из расчета 10—20 л/мин на 1 см диаметра коронки в зависимости от условий бурения или исходя из скорости восходящего потока, обеспечивающей вынос продуктов разрушения на поверхность, которая должна быть не менее 0,5 м/с.

Тогда для расчета расхода жидкости используют выражения

(8.3)

Q = KQyD\

или

Q ^ш 6xl0⁴Kv_B.nS_K.n,

где Q — расход жидкости, л/мин; Q_y — расход жидкости на 1 см диаметра коронки, л/мин; D — диаметр ПРИ, см; у_вп —скорость восходящего потока, м/с; 5_КП —площадь кольцевого пространства между стенкой скважины и бурильными трубами, м²; К— коэффициент, учитывающий возможные потери промывочной жидкости в соединениях бурильных труб, обычно К = 1,2-ь1,5.

При вынужденных ограничениях интенсивности промывки (бурение в неустойчивых породах) шлам должен улавливаться в скважине с помощью шламоулавливающих устройств, а скважина периодически должна промываться без углубки.

Практические рекомендации по режимам бурения. Влияние параметров режима бурения на эффективность работы коронок проявляется в тесной взаимосвязи с другими факторами: типоразмером коронки, свойствами породы и величиной параметров режима бурения. Исследованиями установлено, что с увеличением осевой нагрузки и частоты вращения коронки механическая скорость растет, тогда как проходка за рейс с ростом осевой нагрузки изменяется мало, а с ростом частоты вращения коронки снижается.

В табл. 8.1 приведены параметры режимов бурения коронками в породах от I до VIII категорий по буримости, рекомендуемые ВИТРом.

Таблица 8.1. Рекомендуемые параметры режима бурения твердосплавными коронками

Кате гория			Параметры режима бурения			Расчетные показатели бурения
пород по бури мости	Характеристика пород	Тип коронки	С„ на 1 резец, даН	<0, м/с	{?v на Г см коронки, л/мпн	•W м/ц	/р. м
I	Рыхлые неоднородные	Мб	20-50	1.1— 1,45	14-16	12—1S	0,75
II	Рыхлые неоднородные, вспучивающиеся	М5 Мб	30-60	0,7- 1,45	12-14	8-12	1,0
III	Однородные	М5	50-100	1,1— 1,2	12-16	6-7	1,5
IV	11еоднородные, вспучивающиеся	М5	100-150	0,7- 1,45	12-14	3-4	3,0
	Монолитные не абразивные	СМ 4	40-50	1,4— 2,2	14-16	2,6	4,0

Кате гория пород по бури- мосги			Параметры режима бурения			Расчетные показа* тели бурения
	Характеристика пород	Тип коронки	Су на 1 резец, ДаН	а>, м/с	Су на 1 см коронки, л/мин		V м/4	/р, м
V	Монолитные малоабразивные	СМ4	30-50	1,7- 2,2	12-16		2,6	4,0
	Абразивные	СА4 СА5	30-40	0,7- 1,45	12-16		2,6	4,0
	Трещиноватые	СТ2	60-80	0,7- 1,2	7-11		2,4	4,0
	Неоднородные по твердости	М5	150-200	0,7- 1,45	7-11		2,4	4,0
	Монолитные малоабразивные	СМ 4	60-80	0,7- 2,2	8-12		1,9	3,5
VI	Абразивные	СА4	40-60	0,7- 1,45	8-10		1,9	3,5
	Трещиноватые	СТ2	80-100	0,7- 1,2	7-10		1,8	3,5
VII	Монолитные малоабразивные	СМ4 СМ5 СМб	80-100	0,7- 1,45	10-12		1,4	2,5
	Абразивные	СА6 СА4	60-80	0,7- 1Д	10-14		1,4	2,5
	Трещиноватые	СТ2	100-120	0,7- 1,2	8-10		1,3	2,5
	Монолитные малоабразивные	СА5 СА6	100-120	0,7- 1,45	9-10		1,1	2,0
VIII	Абразивные	СА4	60-80	0,7- 1,2	8-12		1Д	2,0
	Трещиноватые	СТ2	120-150	0,7- 1,2	7-9		0,9	2,0