Глава 7. Технологии проходки скважин при различных способах бурения. Специальные технические средства для их реализации

7.1. Высокооборотное алмазное колонковое бурение (по  )

Понятие «Алмазное высокооборотное бурение» включает в себя определенный диапазон применяемых в практике бурения частот вращения бурового снаряда. По этому признаку в настоящее время выделяют следующие виды бурения:

• низкооборотное (до 300 мин^-1);

• на повышенных частотах вращения (до 700 мин^-1);

• высокооборотное (свыше 700 мин^-1).

Анализ этих понятий показывает, что появление каждого из них связано с определенной стадией развития техники и технологии алмазного бурения. Если на первых этапах при использовании станков и бурильных колонн старых типов можно было бурить в основном с применением оборотов до 300 мин^-1, то второй вид алмазного бурения появился при переходе на бурение коронками малых диаметров, что позволило повысить частоты вращения в сравнении с применяемыми ранее. Затем, с появлением станков типа СКБ и АБ, позволяющих применять частоты вращения до 1500 мин^-1, было введено понятие «высокооборотное бурение». Исходя из этого, «алмазное высокооборотное бурение» – есть процесс, проходящий на высоких частотах вращения бурового снаряда (более 700 мин^-1), что и является основной особенностью проходки скважин этим способом.

7.1.1. Основы взаимодействия алмазной коронки и горной породы

При передаче на алмазную коронку нормальной осевой нагрузки и крутящего момента, вследствие волнистости и шероховатости каждого из элементов пары, соприкосновение их происходит на отдельных «пятнах», сосредоточенных на вершинах выступах. При этом более жесткие выступы (алмазы) внедряются в горную породу, образуя пятна реального контакта. При вращении коронки они разрушаются и образуются вновь. Глубина внедрения отдельных алмазов зависит от разновысотного их расположения на торце матрицы, свойств горной породы, параметров режима бурения, конструкции алмазной коронки.

В общем случае можно представить следующую картину взаимодействия алмазов с породой. Часть из них работает в режиме внешнего трения, т.е. деформирует горную породу упруго, без хрупкого разрушения; часть алмазов деформирует породу с хрупким разрушением, при этом сначала образуется растягивающая трещина, затем ядро уплотнения, после этого трещина скола и скол породы; часть алмазов скользит по разрушенному предыдущим алмазом слою породы; часть алмазов скалывает ослабленную в результате растягивающих напряжений горную породу.

Алмазная коронка, испытывающая сопротивление своему перемещению по породе, также подвергается износу, интенсивность которого связана с характером деформирования горной породы и имеет либо усталостный, либо абразивный или эрозионный износ.

Образующиеся продукты износа (шлам) горной породы в виде частиц различной формы (от лепестков до микрообломков породы) частично выносятся через промывочные каналы очистным агентом, частично увлекаются выступающими алмазами в направлении вращения коронки, образуя каналы шламоудаления в теле матрицы.

При скольжении коронки по породе в зоне пятен касания, размеры которых могут достигать нескольких десятков микрометров, в результате работы сил трения выделяется определенное количество тепла. Тепло во фрикционном контакте, благодаря двойственной природе трения, генерируется в двух зонах:

• непосредственно на поверхности трения в результате преодоления молекулярных связей;

• на некоторой глубине за счет деформации поверхностного слоя.

Контактная температура (на пятне контакта) может достигать очень высоких значений, а объемная, как в массиве породы, так и в теле матрицы при нормальных режимах бурения достигает 100-200⁰ С. При этом характерно ее быстрое убывание от пятна контакта вглубь породы. Выделяющееся тепло отводится от алмаза за счет генерирования его в горную породу и матрицу. Матрица, в свою очередь, охлаждается промывочной жидкостью. Таким образом, для эффективного отвода тепла необходимо обеспечить алмазу возможность постоянно контактировать с новыми слоями породы (при постоянном охлаждении коронки). В целом это и происходит при нормальном процессе бурения. Если же в силу различных обстоятельств (высокая твердость горных пород, недостаточная осевая нагрузка) невозможно обеспечить достаточное внедрение алмазов в породу, то температура на пятне касания резко повышается, число микронеровностей на поверхности алмаза уменьшается, фактическая площадь контакта увеличивается; происходит некоторое перераспределение нагрузки в сторону снижения ее воздействия на породу; наступает, так называемое, состояние «равновесной шероховатости», известное в бурении как заполирование алмазной коронки.

На износ алмазной коронки и породы большое влияние оказывает относительное сближение контактирующих поверхностей. В зависимости от этого изменяется глубина внедрения алмазов и микронеровностей матрицы, варьируется режим шламоудаления из-под торца коронки. Так как процесс связан с интенсивным теплообразованием, а количество тепла зависит от площади соприкосновения, то при определенном заглублении алмазов количество тепла, отдаваемого породе, будет меньше вновь образуемого. В результате износ алмаза начнет увеличиваться и при переходе через определенный нормативный уровень наступит стадия повышенного износа алмазов.

Исходя из представленного выше характера взаимодействия коронки с породой, можно сделать следующие выводы: нормальный процесс бурения ограничен с одной стороны величинами углубок, определяющими начало процесса микрорезания (порог заполирования); с другой - величинами углубок, обеспечивающими нормируемый износ алмазов (порог повышенного износа).

Таким образом, процесс бурения характеризуется углубкой за оборот коронки ; это показатель является критерием, отражающим ход процесса, а также комплексным показателем, связанным со свойствами горных пород, конструкцией коронки и параметрами режима бурения:

мм/об,

где V_мех – механическая скорость, м/ч; n – частота вращения, мин ^–1.

Характер изменения углубки показывает зависимость соотношения темпов роста n и V_мех. Выделяются три основные тенденции изменения .

Величина  уменьшается, если темп роста n опережает темп роста V_мех. Частота вращения и осевая нагрузка не обеспечивают соответствующего внедрения алмазов в породу. Взаимодействующая пара «коронка-порода» стремится к стационарному режиму – режиму заполирования.

Величина  увеличивается, если темп роста V_мех опережает темп роста n . Происходит это при так называемом «силовом» методе бурения, когда эффективность бурения достигается в основном за счет все более увеличивающегося внедрения резцов в породу при возрастании осевой нагрузки. При этом под секторами коронки образуются все большее количество шлама, межконтактный зазор между поверхностью коронки и породой забоя соответственно все более уменьшается. В попытке найти выход шлам начинает интенсивно изнашивать матрицу и алмазы, увеличивается объемная температура. В результате при дальнейшем увеличении осевой нагрузки наступает падение V_мех, износ коронки резко возрастает, не обеспечивается достаточное внедрение алмазов в породу.

Величина  постоянна, когда темпы роста V_мех и n одинаковы или их значения находятся в постоянном соответствии, т.е. когда для данных условий найдено оптимальное значение углубки и интенсификации процесса разрушения горной породы и происходит за счет прогрессирующей скорости снятия разрушаемых слоев породы (интенсивный метод). Под секторами коронки, поскольку величина внедрения алмазов в породу постоянна, образуется одно и тоже количество шлама, межконтактный зазор не изменяется, что обеспечивает благоприятные условия для выноса продуктов износа и работы коронки в целом. Относительно постоянная величина внедрения алмазов в породу поддерживается осевой нагрузкой, изменение которой обусловлено увеличивающейся площадью контакта алмазов вследствие образования на них площадок износа.