- •Часть I сооружение
- •Глава 1
- •§ 1. Общие сведения о твердосплавном породоразрушающем инструменте
- •§ 2. Конструкции, типоразмеры и области применения твердосплавных коронок
- •§ 3. Конструкции и типоразмеры долот с твердосплавным вооружением
- •Глава 2
- •§ 1. Общие сведения об алмазном породоразрушающем инструменте и его конструктивных элементах
- •§ 2. Конструктивные параметры породоразрушающего инструмента
- •§ 3. Конструкции и типоразмеры коронок с резцами из естественных алмазов
- •§ 4. Конструкции коронок с резцами из синтетических алмазов и сверхтвердых материалов
- •§ 5. Алмазные долота
- •§ 6. Алмазные расширители
- •Глава 3
- •§ 1. Общие сведения о шарошечном породоразрушающем инструменте
- •§ 2. Конструктивные элементы Породоразрушающего инструмента шарошечного типа
- •§ 3. Типоразмеры шарошечного породоразрушающего инструмента
- •Глава 4
- •§ 1. Общие сведения
- •§ 2. Коронки для бурения с гидроударниками
- •§ 3. Коронки для бурения с пневмоударннкамн
- •§ 4. Долота для ударно-вращательного бурення скважин
- •§ 5. Расширители для калибровки и разбуривания скважин при бурении с гидроударниками
- •Глава 5
- •§ 1. Колонковые и шламовые трубы
- •§ 2. Переходники
- •§ 3. Кернорватели
- •§ 4. Бурильные трубы
- •§ 5. Утяжеленные бурильные трубы
- •§ 6. Переходники-сальники
- •Глава 6
- •§ 2. Вспомогательный буровой инструмент для работы с буровыми снарядами и трубами
- •§ 3. Вспомогательный буровой инструмент и устройства для осуществления спуско-подъемных операций
- •§ 4. Стальные канаты и приспособления для их закрепления
- •Глава 7
- •§ 1. Технологические процессы, выполняемые при бурении скважин и их общая характеристика
- •§ 2. Геолого-техническне условия бурения скважин
- •§ 3. Куримость горных пород
- •§ 4. Общие закономерности в процессах бурення скважин и факторы их определяющие
- •§ 5. Основные параметры режимов бурения сквалаш
- •§ 6. Влияние диаметра породоразрушающего инструмента на эффективность процесса бурения
- •§ 7. Методика отработки породоразрушающего инструмента
- •Глава 8
- •§ 1. Общме сведения
- •§ 2. Параметры режима и технология бурения твердосплавными коронками
- •§ 3. Отработка коронок и технология бурения с удалением продуктов разрушения промывкой
- •§ 4. Технология бескернового бурения
- •Глава 9
- •§ 1. Общие сведения об условиях работы алмазного породоразрушающего инструмента
- •§ 2. Общие принципы обоснования и расчета параметров режима бурения алмазным породоразрушающим инструментом
- •§ 3. Технология бурения алмазными коронками в трещиноватых, раздробленных и перемежающихся по твердости породах
- •§ 4. Технология бурения алмазными долотами
- •§ 5. Общие вопросы процесса отработки алмазного породоразрушающего инструмента
- •§ 6. Технологические процессы, выполняемые
- •§ 1. Параметры режима бурения шарошечным породоразрушающим инструментом
- •§ 2. Принципы отработки породоразрушающего инструмента шарошечного типа и технологические процессы бурения
- •§ 3. Продолжительность рейса
- •Глава 11
- •§ 1. Общие сведения об условиях ударно-вращательного бурения скважины
- •§ 2. Технология ударно-вращательного бурения скважин с применением гидроударников
- •§ 3. Ударно-вращательное буренне с применением обычного породоразрушающего инструмента
- •§ 4. Технология ударно-вращательного способа бурения скважнн с применением пневмоударника
- •Глава 12
- •§ 2. Борьба с осложнениями
- •§ 3. Технология бурення скважин в осложненных условиях
- •Глава 13
- •§ 1. Общие сведения
- •§ 3. Бурение скважнн с местной циркуляцией жидкости, создаваемой с помощью сжатого воздуха
- •§ 4. Курение скважин с комбинированной циркуляцией промывочной жидкости
- •§ 5. Бурение скважин с обратной циркуляцией жидкости и гидротранспортом керна
- •§ 6. Бурение скважин снарядами со съемным керноприемннком
- •§ 1. Общие сведения о бурении скважин с продувкой воздухом
- •§ 2. Технологический инструмент и технические средства, применяемые при бурении с продувкой
- •§ 3. Технология бурения скважин с продувкой воздухом в нормальных условиях
- •§ 4. Бурение скважин с продувкой воздухом в осложненных условиях
- •§ 5. Технология бурения скважин с продувкой воздухом в многолетнемерзлых породах
- •§ 6. Бурение скважин с применением газожидкостных смесей
- •Глава 15
- •§ 2. Технологические средства, используемые при бурении горизонтальных и восходящих скважин
- •§ 3. Технологические режимы бурения скважин с получением керна
- •§ 4. Технологические режимы бескернового бурения
- •§ 5. Технология отработки породоразрушающих инструментов
- •Глава 16
- •§ 1. Требования, предъявляемые к образцам пород или пробам полезных ископаемых
- •§ 2. Факторы, определяющие условия получения образцов пород или проб полезных ископаемых
- •§ 3. Способы и средства получения представительных образцов пород или проб полезных ископаемых
- •§ 1. Способы и средства повышения представительности керна при колонковом бурении скважин
- •§ 2. Колонковые снаряды для получения образцов легко разрушаемых пород или полезных ископаемых
- •§ 3. Конструктивные элементы (узлы) двойных колонковых снарядов
- •§ 4. Двойные колонковые снаряды с несъемным кернопрнемником
- •§ 5. Колонковые снаряды для получения образцов пород п проб газа
- •§ 6. Средства для получения шламовых проб
- •§ 7. Средства получения образцов пород или проб полезных ископаемых при бескерновом бурении
- •§ 8. Определение момента встречи залежей полезных ископаемых
- •Глава 18.
- •§ 2. Забурнвание и оборудование устья скважины
- •§ 3. Спускоподъемные операции
- •§ 4. Ликвидация скважин
- •Глава 19
- •§ 2. Строительно-монтажные работы
- •§ 3. Оборудование устья скважины
- •§ 4. Спускоподъемные операции
- •Глава 20
- •§ 2. Комплектация бурильных труб
- •§ 3. Борьба с вибрацией бурового снаряда
- •Глава 21
- •§ 2. Реализация расчетной осевой нагрузки
- •§ 3. Реализация расчетных значений частоты вращения п интенсивности удаления продуктов разрушения
- •Глава 22
- •§ 1. Общие сведения
- •§ 2. Геолого-методический раздел проекта
- •§ 3. Технический раздел проекта
- •§ 4. Технологический и технико-экономический разделы проекта
- •§ 5. Геолого-техническиП наряд и документация при бурении скважин
- •Глава 23 бутовой инструмент
- •§ 1. Технологический буровой инструмент
- •§ 2. Вспомогательный ftyponoft инструмент
- •Глава 24
- •§ 1. Технологические процессы бурения скважин
- •§ 2. Технологические параметры режима ударно-канатного бурения
- •Глава 25
- •§ 1. Подготовка рабочего места и установка станка
- •§ 2. Забуриванне и бурение скважин
- •§ 3. Обсадка скважин трубами
- •§ 4. Ликвидация скважин
- •§ 5. Проектирование буровых работ при ударно-канатном способе сооружения скважин
- •Часть III
- •Глава 26
- •§ 1. Общие сведения
- •§ 2. Сооружение неглубоких скважин вручную
- •§ 3. Механизация процессов ударного н вращательного бурения неглубоких скважин
- •Глава 2 7
- •§ 1. Общие сведения
- •§ 2. Буровой инструмент
- •§ 3. Технология бурения скважин
- •Глава 28
- •§ 1. Сооружение скважин с применением вибрационного способа бурения
- •§ 2. Сооружение скважнн с применением способа бурення задавлпванием бурового снаряда
- •§ 3. Сооружение неглубоких скважин с применением комбинированного способа бурения
§ 2. Общие принципы обоснования и расчета параметров режима бурения алмазным породоразрушающим инструментом
Параметры режима бурения алмазными коронками подбирают на основании общих закономерностей процесса бурения скважин, изложенных ранее, в соответствии с характером разбуриваемых пород, конструкцией скважины (глубиной и диаметром ствола), а также типоразмерами породоразрушающего инструмента.
Одним из критериев оценки эффективности работы алмазного ЛГИ при алмазосберсгающей технологии бурения принято считать величину углубки скважины д за один оборот инструмента при HODMHDveMOM Dacxone алмазов:
(9.3)
где Арк — число алмазных резцов в одной линии резания, находящихся в контакте с породой; Л —глубина внедрения резцов, мм.
Как известно, глубина внедрения резцов зависит от твердости пород, уровня нагрузки на резец и режима разрушения породы. При этом может наблюдаться режим объемного, усталостно-объем- ного и поверхностного разрушения, чем и определяются его масштабы или глубина внедрения h резцов в породу. Наибольшая величина внедрения достигается при объемном разрушении Лтах, что предопределяет повышенную скорость бурения. Наименьшая величина hmia бывает при работе резцов в режиме поверхностного разрушения (износа) породы в пределах ее упругой деформации. Как установлено, работа ПРИ в таком режиме ведет к заполи- рованию алмазов и характеризуется низким уровнем эффективности процесса бурения. Глубину внедрения алмазных резцов в таком режиме принято считать порогом внешнего трения /гпвт или порогом заполирования алмазов йпл. Расчетные величины этого показателя приведены в табл. 9.2 (по данным ВИТРа).
Исследованиями установлено, что при достижении возможной максимальной величины внедрения резцов /?тах наблюдается повышенный расход алмазов. При этом /;тах может достигать величины выпуска торцовых алмазных резцов из тела матрицы, что резко ухудшает условия удаления продуктов разрушения породы из-под торца матрицы, образующихся при вращении ПРИ. В связи с этим установлена допустимая максимальная величина внедрения резцов в породу /|доп. Эта величина не должна превышать половины величины выпуска резцов из матрицы, которая составляет обычно 25% у однослойных коронок и 10% —у импрегнированных от величины (диаметра) алмазных резцов.
В табл. 9.3 приведены расчетные данные ВИТРа допускаемых величин углубки коронки за один оборот в породах VII—XII категорий по буримости при разной величине зазора между торцом матрицы и забоем.
Таким образом, с позиций алмазосберегающей технологии бурения определяется рациональная или нормализуемая величина внедрения алмазных резцов в породу йн, исходя из условия /гпз</гн< йдоп.
Величина углубки скважины за один оборот ПРИ в таком случае определяется выражением (9.3), в которое вместо h следует вставить Лн, что и будет характеризовать нормальный процесс бурения. Исходя из этого, может быть вычислена механическая скорость бурения.
(9.4)
где « — частота вращения ПРИ, об/мин, или
(9.5)
Категория пород по буримости |
Твер дость пород, МПа |
Предел прочности пород на сжатие, МПа |
Зернистость алмазов, шт/кар |
Радиус зерен алмазов, мм |
Площадь контактной поверхности зерен алмазов, мм2 |
Осевая нагрузка на алмазное зерно, да11 |
Величина углубки алмазных зерен в режиме порога запал ирова- ния, мм |
Число алмазов на линии резания |
Величина углубки коронки за 1 оборот, мм |
XII |
7000 |
220 |
400—200 |
0,40 |
0,062 |
1,36 |
0,0006 |
46 |
0,027 |
XI |
6500 |
190 |
150-120 |
0,475 |
0,016 |
1,44 |
0,0006 |
30 |
0,018 |
X |
5500 |
170 |
120-90 |
0,525 |
0,086 |
1,46 |
0,00058 |
30 |
0,017 |
IX |
4500 |
145 |
60—40 |
0,675 |
0,108 |
1,57 |
0,00061 |
25 |
0,015 |
VIII |
3500 |
120 |
30-20 |
0,85 |
0,133 |
1,60 |
0,0013 |
20 |
0,026 |
VII |
2500 |
98 |
20-12 |
0,98 |
0,150 |
1,47 |
0,0017 |
20 |
0,034 |
Категория пород по буримосги |
Зернистость алмазов, шт/кар |
Зазор между матрицей и забоем (мм) при выпуске резцов, % |
Допустимая максимальная углубка коронки за 1 оборот, мм |
|||
10 |
25 |
4-х секторная коронка |
6-ти секторная коронка |
|||
XII |
400-200 |
0,080 |
_ |
0,07 |
0,06 |
|
XI |
150-120 |
0,095 |
— |
0,0S |
0,0S |
|
X |
120—80 |
0,105 |
— |
0,09 |
0,09 |
|
IX |
60-40 |
— |
0.33S |
0,29 |
0,27 |
|
|
50-30 |
— |
0,375 |
0,33 |
0,30 |
|
VIII |
30-20 |
— |
0,487 |
0,42 |
0,34 |
|
VII |
20-12 |
— |
0,487 |
0,42 |
0,39 |
|
Величина внедрения резцов при нормируемом износе алмазов определяется условием 1г„<г/4, где г —радиус алмазного резца, имеющего условно сферическую форму.
Количество резцов Арк в одной линии резания, находящихся в контакте с породой, зависит от насыщенности торца матрицы алмазными зернами, величины осевой нагрузки и равномерности их выпуска из тела матрицы. Обычно, в начале работы ПРИ (в период приработки) в контакте с породой находится 10—20% общего числа выступающих резцов, а у приработавшегося ПРИ их число составляет 80—100%.
В одной линии резания число алмазных резцовА„ к, находящихся в контакте, у однослойных коронок диаметром 59 мм в среднем составляет 25 шт., у импрегнированных — около 30 шт. (при 40% насыщенности матрицы торцовыми алмазами на 1 см2).
Количество выступающих зерен алмазов у однослойных коронок определяется их характеристикой. У импрегнированных ПРИ эта величина колеблется в зависимости от зернистости алмазов и насыщенности матрицы (табл. 9.4).
За основу режима отработки алмазного ПРИ в методике ВИТРа приняты показатель эффективности бурения с учетом износа ПРИ и породы и расход алмазов q (износ ПРИ).
Показатель эффективности бурения
■Эф ~ ^мА'прш (9.6)
где vM — механическая скорость бурения, м/ч; /ПР„ — интенсивность износа ПРИ, м/ч.
Расход алмазов (кар/м)
Ч = nt/i„, (9.7)
где т — масса израсходованных алмазов, кар; /„ — интенсивность износа породы, м/ч.
Интенсивность износа (разрушения) породы является показателем механической скорости бурения vM (линейный износ породы за время чистого бурения t4&.
Учитывая, что уровень vM зависит от режимных параметров работы ПРИ, максимальные значения Эф будут соответствовать оптимальному значению одному из этих параметров или их совместному действию.
Рациональную отработку ПРИ ведут при этом по критерию допустимого максимального линейного его износа. Если /ПР„ увеличивается пропорционально увеличению vM, расход алмазов q остается постоянным. При уменьшении vM и том же или увеличивающемся уровне /при расход алмазов растет, что является свидетельством неоптимальности какого-либо параметра режима бурения. Это требует его корректировки или прекращения бурения.
Критерием эффективности процесса бурения может служить величина углубки ПРИ за один оборот (мм), определяемая выражением
д = vjn, (9.8)
где vM — механическая скорость бурения, мм/мин; п — частота вращения ПРИ, об/мин.
При этом выделяют три основные случая изменения величины углубки ПРИ за один оборот. Первый случай — увеличение <5 при темпе роста vM, превышающем темп роста п, что бывает при силовом методе разрушения породы за счет осевой нагрузки и увеличения глубины внедрения резцов. Это связано с ухудшением условий работы ПРИ и с аномальным износом резцов (Л>йдоп), что приводит к снижению vM. Второй случай — уменьшение & при превышении темпа роста п над темпом роста vM, уровень параметров и и G0 не обеспечивает оптимальной глубины внедрения резцов h. Возникает режим заполирования алмазов. И, наконец, третий случай — величина <5 постоянна при одинаковом темпе роста п и vM или их рост находится в постоянном соответствии. Это наблюдается при оптимальной величине Л, когда vM увеличивается за счет частоты вращения ПРИ при благоприятных условиях удаления продуктов разрушения породы. Оптимальная величина Л по мере износа алмазных резцов в таком процессе должна поддерживаться постоянной за счет увеличения осевой нагрузки.
Таким образом, для того, чтобы обеспечить высокие показатели отработки алмазного ПРИ, необходимо управлять факторами, определяющими эти показатели, начиная с их обоснованного планирования. Ряд показателей задан директивными документами, в частности, расход алмазов на 1 м пробуренной скважины, механическая и рейсовая скорости бурения, которые используются в действующих нормах выработки при бурении геологоразведочных скважин. В связи с этим параметры режима бурения рассчитывают или подбирают по соответствующим рекомендациям, с использованием методических указаний и справочных пособий.
Исследованиями, проведенными ВИТРом, установлена степень влияния отдельных параметров режима на механическую скорость бурения и износ коронок по высоте в зависимости от механических свойств пород. Так, при бурении в породах с твердостью Ли “ 40,0+80,0 МПа наибольшее влияние на ум оказывает частота вращения п (22%), в меньшей степени — осевая нагрузка G0 (15%), и еще в меньшей — интенсивность промывки Q (12%), а износ матрицы алмазной коронки по высоте зависит, прежде всего, от качества алмазов (31%), нагрузки на коронку (21%), твердости матрицы (14%), частоты вращения (12%) и других факторов Гот 7,3 до 2,0%). В случае бурения в более твердых породах (Рш = 80,0 МПа) степень влияния этих параметров иная. Наибольшее значение приобретают G0 (37%) и интенсивность промывки Q (21%) и в меньшей степени на механическую скорость бурения влияет п (11%).
Руководствуясь установленными зависимостями, в основу технологии отработки алмазного ПРИ могут быть положены оптимальные задачи <5, п, G0> по которым определяют величину — формула (9.4). Уровень vM в рейсе при бурении в породах определенного типа поддерживают изменением одного из параметров режима бурения — G0, it или Q.
Осевая нагрузка определяет глубину внедрения и количество участвующих в разрушении породы резцов, а также интенсивность износа ПРИ. В общем случае с ростом осевой нагрузки до определенного значения все три показателя увеличиваются. Механическая скорость бурения с увеличением осевой нагрузки в породах средней и выше средней твердости растет почти линейно, но с разной интенсивностью для разных пород и условий бурения. В более твердых, хрупких породах при чрезмерно высокой нагрузке наблюдается более быстрый износ резцов за счет перегрева и графитизации алмазов, более интенсивное разрушение матрицы
и зашламование забоя. Поэтому механическая скорость бурения с некоторого момента может снижаться (рис. 9.1). При этом с увеличением твердости пород максимум механической скорости бурения сдвигается в сторону ббльших значений осевой нагрузки. Осевая нагрузка имеет критические значения, зависящие от свойств пород и прочности (стойкости) алмазных резцов.
Vм/4
О,
В
\S~\’
7 —IX; 2 —X; J —XI; 4 —XII (по Ю. В. Вершинину)
0,6
ОЛ
О,г
300 700 900
Таким образом, осевую нагрузку следует подбирать, исходя из прочности и изностостойкости алмазных резцов и твердости пород. Контактные напряжения ак, создаваемые действием осевой нагрузки G0, должны быть больше сопротивления породы разрушению оп, но меньше прочности алмазных зерен ста, т. е. сгп<стк ^ сгя.
Исходя из прочности зерен алмазов, их количества и зернистости, суммарная осевая нагрузка для однослойного ПРИ может быть определена выражением
G0 = k'kpjnzGy, (9.9)
где Ar_K— коэффициент, учитывающий число алмазных резцов на одной линии резания, принимающих участие в разрушении породы (Агрк = 0,2+0,8); т — масса торцовых алмазов, кар; z — зернистость алмазов, шт/кар; Gy — допускаемая величина нагрузки на алмазное зерно, даН; к— коэффициент, учитывающий условия отработки ПРИ (в период приработки,нового ПРИ к = 0,65; в период работы в нормальных условиях к = 1).
Исследованиями установлено, что удельная объемная энергоемкость разрушения породы является минимальной при действии статической нагрузки на один алмазный резец в пределах 8—10 даН. Но при вращении бурового снаряда возникают дополнительные динамические нагрузки, величина которых возрастает с увеличением частоты вращения снаряда и степени трещиноватости пород. Поэтому критическая величина удельной нагрузки Gy на алмазные резцы, взаимодст гвующие с породой на забое, составляет 3—5 даН. В нормальных условиях эта величина может достигать 10—13 даН на алмазный резец, а на 1 кар до 800 даН и более.
Таким образом, зная количество торцовых алмазов в ПРИ, участвующих в разрушении пород, и приняв допустимое значение удельной нагрузки, исходя из прочности алмазных резцов и свойств пород, можно определить рациональную величину усилия подачи коронки или осевую нагрузку. Практически осевая нагрузка подбирается опытным путем для каждого типоразмера коронки и породы шаговым методом: величину осевой нагрузки постепенно наращивают (через равные интервалы) до тех пор, пока не будет достигнуто ее рациональное значение, при котором пдлучают максимальную величину скорости бурения и углубки на коронку при минимальном расходе алмазов.
Рациональное значение осевой нагрузки зависит также от частоты вращения, окружной скорости коронки и интенсивности очистки забоя от шлама. Обычно только с повышением G0 и п механическая скорость бурения растет достаточно эффективно. Но этот рост наблюдается до какого-то критического значения осевой нагрузки, характерной для определенной частоты вращения коронки и определенного типа породы. Существуют экстремальные значения осевой нагрузки в зависимости от частоты вращения коронки, как это видно на рис. 9.2,а. На рис. 9.2,6 показана связь осевой нагрузки и частоты вращения коронки с неовализованными алмазами типа 01АЗК20К20 при бурении по породам малоабразивным VII—VIII категорий по буримости. Как видно отсюда, имеют место критические значения удельной осевой нагрузки Gy в зависимости от окружности скорости ш. Практически критическая величина осевой нагрузки для коронок с овализовЬнными алмазами начинается с 7,5 МПа и может достигать величин 20,0 МПа. Но при этом существенно возрастает расход алмазов.
Рис.
9.2.
Зависимость значений осевой нагрузки
Со и механической скорости бурения vM
соответственно
от частоты вращения я и от окружной
скорости коронки а>:
1—
со«0,54 м/с; 2 —«в-0,98 м/с; 3—аз-1,66
м/с; 4
—
а>«2,14 м/с.
Для импрегнированных алмазных коронок установлена такая же экстремальная зависимость функции vM = /(G0), характер которой зависит от свойств пород. Осевая нагрузка на ПРИ при этом может определяться, исходя из ее удельных значений,
G„ = kSMGy, (9.10)
где к — коэффициент, учитывающий условия отработки ПРИ и его состояние; 5М — площадь торца матрицы, находящейся в контакте с породой, см2; Gy —удельная величина нагрузки, даН/см2.
Величина удельных нагрузок в зависимости от свойств пород колеблется в пределах 30—100 даН/см2 и более. Так, например, для диабазов установлено оптимальное значение Gy = 30—60 даН/см2, для кварцитов — 80—100 даН/см2, для роговиков — 30—40 даН/см2.
Следует помнить, что при бурении монолитных пород VIII—XII категорий по буримости заниженная величина осевой нагрузки ведет к полированию алмазных зерен, а завышенная — к быстрому их разрушению и, в том и в другом случаях, к прекращению углубки.
В общем случае значения осевой нагрузки ограничиваются износостойкостью зерен алмазов, прочностью бурового снаряда в целом, трещиноватостью пород, а также искривлением скважин.
Частота вращения коронки является не менее важным параметром режима бурения, так как от него зависит не только механическая скорость бурения, но и износостойкость коронок, процесс заполирования и, в конечном счете, расход алмазов.
На процесс заполирования зерен алмазов и эффективность работы ПРИ существенное влияние оказывает скорость движения резцов в плоскости резания, так как от нее зависит время контакта tK резцов с породой в определенной точке. От этого фактора, как известно, зависит масштаб деформирования породы. При увеличении tK за счет снижения окружной скорости движения резцов до критической величины при достаточном уровне действующей нагрузки наблюдается объемное разрушение породы. В связи с этим закон изменения функции vM =Ди) в разных условиях проявляется по-разному. Различна и интенсивность роста механической скорости бурения. Для менее твердых пород приращение скорости бурения идет более интенсивно и практически прямо пропорционально, а для более твердых — медленнее при наличии экстремумов (рис. 93). Для очень твердых пород наблюдаются максимальные значения механической скорости бурения и тем раньше наступает экстремум, тем тверже порода.
Исследователи отмечают, что при бурении в нормальных условиях в достаточно монолитных малоабразивных породах и при отсутствии вибраций повышение частоты вращения коронки до 800—1000 об/мин приводит к росту механической скорости бурения при несущественном увеличении расхода алмазов. Даже наоборот, до определенного значения частоты вращения расход
Рис. 9.3. Зависимость скорости бурения vM от частоты вращения п при бурении алмазными коронками в породах разной категории по буримости:
1,50
1 1 1 1 I I I I
ЮО
200 300 п,о6/мт
1,00
т
алмазов может уменьшаться, но при этом может происходить снижение величины углубки на коронку. Однако такая зависимость отмечается не всегда. До некоторого значения частоты вращения углубка на коронку может также увеличиваться. Для импрегнированных коронок установлено, что минимальный расход алмазов наблюдается в породах с твердостью Рт = 400-5-600 МПа при частоте вращения 250 об/мин, в породах с твердостью Рш = 600-ь800 МПа—при 200 об/мин и в породах с твердостью Рш = 800 МПа—при 180 об/мин.
По данным зарубежной практики известно, что с увеличением частоты вращения коронки до 600 об/мин механическая скорость растет пропорционально, а расход алмазов на 1 м углубки скважины снижается. При частоте вращения 700—4000 об/мин (окружная скорость до 7,0 м/с) в плотных малоабразивных породах механическая скорость бурения также растет, но расход алмазов увеличивается. Поэтому Дж. Д. Камминг, например, рекомендует вести бурение при окружной скорости коронок в пределах 1,9—4,7 м/с.
Анализ опыта работы зарубежных фирм показывает, что в современных условиях окружные скорости алмазных коронок находятся в пределах 0,8—3,5 м/с. При этом скважины глубиной до 100 м бурят обычно на повышенной частоте вращения до 1700—2000 об/мин, а скважины глубиной от 100 до 700 м —с частотой вращения до 800 об/мин. Наиболее распространенная частота вращения коронок находится в пределах 200—800 об/мин.
На пониженной частоте вращения (менее 250 об/мин) бурение осуществляют в весьма твердых кварцевых ожелезненных (яшмах, джеспилитах, роговиках), сильно трещиноватых, весьма абразивных и неоднородных (с часто перемежающейся твердостью) породах. Кроме того, частоту вращения снижают с ростом глубины и диаметра скважин, при бурении коронками, оснащенными крупными
алмазами (менее 5—8 штук на карат) и при низком выходе керна. В нормальных условиях частоту вращения коронки можно доводить до 1000—2000 об/мин без существенного снижения стойкости коронок. На высоких частотах вращения особенно рационально эксплуатировать импрегнированные коронки. При бурении однослойными коронками увеличение частоты вращения в сильно абразивных породах приводит к снижению величины углубки на коронку.
Следует отметить, что при частоте вращения более 250 об/мин появляются вибрации БС, что ведет к увеличению расхода алмазов и тем в большей степени, чем тверже порода.
Влияние частоты вращения коронки на эффективность ее работы зависит также и от уровня осевой нагрузки. Это было показано на ряде примеров ранее (см. рис. 9.2), и видно из графиков рис. 9.4. Из графиков следует, что для каждого уровня
Рис.
9.4.
Зависимость скорости бурения vM
от
частоты вращения п
в железистых кварцитах
однослойными (и)
и имлрегнированными (б)
коронкамн диаметром 59 мм:
1-С1
-
400 даН; 2-С2
- *50 даН; J-G3
-
1450 да»!
<
Ш
3Z0
л,
об/мин
1S3 271 nfiffмин
осевой нагрузки есть критические значения частоты вращения или окружной скорости. Ниже приведены значения окружной скорости и удельной осевой нагрузки, рекомендуемые ВИТРом.
Категория пород по
буримости VIII-IX X XI XII
Окружная скорость
коронки, м/с 4,0—4,5 3,0—3,5 2,4—2,8 1,6
Удельная осевая
нагрузка, да11/см2 80-100 95-100 100-120 120—125
Подбирают оба эти параметра с учетом интенсивности удаления продуктов разрушения пород.
Удаление продуктов разрушения, имеющее весьма существенное значение при бурении скважин алмазным ПРИ, может осуществляться промывочной жидкостью или воздухом. Условия, в которых протекает этот вопрос, в случае бурения алмазными коронками являются более сложными, чем при работе ПРИ других типов. Это связано с малой величиной зазоров между коронкой и поверхностью забоя и стенками скважины, способностью шлама некоторых пород спрессовываться в плотную массу, возможностью преждевременного выхода из строя дорогостоящих алмазных резцов и др. Поэтому применяемая для удаления продуктов разрушения промывочная жидкость должна быть хорошо подвижной, обладать высокой теплопроводностью и теплоемкостью, антифрикционными свойствами и способностью гасить вибрации. На эффективность работы коронки существенное влияние оказывают состав промывочной жидкости и концентрация добавляемых веществ при ее обработке. Причем, для разных пород эти показатели имеют вполне определенные значения. При наиболее удачном подборе их прирост объема разрушаемой породы за счет влияния промывочной жидкости может достигать 30—50% (по сравнению с применением воды).
Наиболее часто применяемой промывочной жидкостью является техническая вода. При бурении в породах, интенсивно поглощающих промывочную жидкость, вспучивающихся при насыщении водой, размываемых и обрушивающихся при увлажнении, используется глинистый раствор. Однако применение глинистого раствора приводит к повышенному износу матрицы коронки и алмазных резцов, а также к снижению механической скорости бурения на 10-15%.
Наиболее универсальной промывочной жидкостью являются эмульсии, использование которых, по данным ВИТРа, повышает износостойкость коронок на 25—77%, углубку на коронку и за рейс в 1,2—2 раза и снижает вероятность отрицательного действия вибраций при работе бурового снаряда с частотой вращения до 1000 об/мин и более. При этом применение добавок поверхностно-активных веществ (ПАВ) приводит к понижению твердости горных пород.
В качестве агента, транспортирующего продукты разрушения при бурении алмазными коронками, может применяться и сжатый воздух. Опыт работы ряда организаций подтверждает целесообразность использования этого способа удаления продуктов разрушения пород, так как применение алмазного ПРИ с продувкой скважины сжатым воздухом в определенных условиях может дать хорошие технико-экономические показатели.
Бурение с продувкой сжатым воздухом осуществляется при использовании специальных коронок с достаточно крупными алмазами (не более 10—15 шт на карат).
Исследованиями установлено, что рациональная интенсивность промывки забоя скважины в определенной степени зависит от частоты вращения бурового снаряда и осевой нагрузки на коронку (рис. 9-5).
Рис* 9.5. Зависимость скорости бурения vM от 1/*М) м/ч расхода жидкости Q при бурении алмазной коронкой :
/ —/1-100 об/мин; 2 — л » 870 об/мин; J - п - 600 ап об/мин; 4 — п т 800 об/мин ^
Ю
6,0
5.0
3.0
2JB
10 20 30Ц,фнн
При рациональном режиме промывки, критерием чего в конечном счете является максимальная величина механической скорости и минимальный расход алмазов, на забое в определенных условиях бурения должно находиться некоторое количество шлама. Иногда искусственно накапливая шлам на забое за счет снижения интенсивности промывки, добиваются восстановления работоспособности-зашлифованной коронки. Поэтому подбор рационального количества промывочной жидкости и регулирование режима промывки должны быть достаточно точными.
Общий расход промывочной жидкости вычисляют, исходя из значений скорости восходящего потока в скважине и площади сечения зазора между БТ и стенкой ствола скважины по ранее приведенной формуле (8.4). В среднем скорость восходящего потока жидкости в кольцевом (затрубном) пространстве скважины при бурении алмазными коронками составляет около 0,45 м/с (от 0,35 до 0,6 м/с).
Объемный расход промывочной жидкости определяют также исходя из удельных значений на 1 см2 площади забоя, величина которых может составлять 0,04—0,5 л/с, пользуясь выражением (83).
С увеличением твердости горных пород размеры частиц и общее количество образующегося в единицу времени шлама снижается. Поэтому рекомендуется в таких случаях уменьшать и расход жидкости. Снижается он также при бурении наклонных и горизонтальных скважин.
В табл. 9.5 приведены рекомендуемые расходы промывочной жидкости при бурении скважин в породах различных категорий по буримости коронками различных диаметров.
Породы, категория по буримости |
Расход промывочной жидкости (в л/мин) при диаметре коронки, мм |
|||
|
46 |
50 |
76 |
9 3 |
Малоабразивпые, VI—VIII Малоабразивные, IX—XII Абразивные, VI—VIII Абразивные, IX—XII |
15-25 10-20 30-40 20-30 |
20-30 15-25 40-50 25-35 |
25-45 20-35 40-70 35-45 |
45-70 35-40 60-90 45-60 |
При бурении алмазными коронками весьма эффективным является применение обратной схемы циркуляции промывочной жидкости. В этом случае исключается попадание под торец коронки крупных частиц породы, которые образуются за счет разрушения керна и приводят к более интенсивному, часто аномальному износу коронки и преждевременному заклиниванию керна.
