Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Шарошечные долота наиболее широко применяют для вращательного бурения геологоразведочных скважин без отбора керна в породах с различными физико-меха­ническими свойствами. Параметры шарошечных долот геологоразведочного стандарта приведены в табл. 3.37. По характеру воздействия на породу шарошечные долота относят к долотам ударно-дробящего и дробяще-скалывающего действия. Разрушение породы при этом происходит за счет перекатывания зубь­ев шарошек по забою с нанесением ударов.

Таблица 3.37. Параметры долот геологоразведочного стандарта Диаметр долот, мм Длина резьбовой части, мм Диаметр корпуса долота, мм Высота долота, мм Сечение промывочных каналов, см2 Допустимая нагрузка на долото, кН 36 32 33 70 1,4 10 46 40 43 70 1Д 15 59 45 56 120 1,7 20 76 50 72 120 1,7 35 93 60 90 160 2,5 40 112 70 109 175 2,5 60 132 70 128 200 4,0 70 151 96 147 245 6,0 120

Достоинства шарошечных долот:

У большое количество породоразрушающих элементов, участвую­щих в работе, и их большая стойкость;

У динамическое воздействие на разрушаемый забой, способству­ющее более эффективному разрушению твердых и особенно хрупких горных пород;

У реализация процесса резания и гидромониторного эффекта при разрушении мягких пород.

При бурении геологоразведочных скважин применяют секционные (бескорпусные) долота (рис. 3.35), состоящие из двух или трех сва­ренных между собой лап (секций) со стан­дартной присоединительной резьбой.

Лапы служат для закрепления цапф (осей), вокруг которых вращаются шарошки. Таким образом, цапфы служат опорами, на кото­рых размещаются подшипники. Опоры ша­рошек — один из ответственных узлов во всех конструкциях долот — служат для пере­дачи осевой нагрузки на забой при непре­рывном вращении шарошек вокруг осей.

Основной рабочий орган шарошечных до­лот — шарошки. Они могут быть различной формы: одно — и многоконусными.

Долота с двух-, трехконусными шарош­ками изготовляют самоочищающимися: зуб­чатые венцы одной шарошки входят в про­точки между зубчатыми венцами других, что положительно сказывается на показателях работы долот.

Шарошки ДОЛОТ В зависимости ОТ на — Рис. 3.35. Конструкция

значения армируют различными видами фре — шарошечного долота:

зерованных зубьев КЛИНОВИДНОЙ формы ИЛИ ‘-корпус; 2-цапфа, 3- под. г ^ . шипник; 4— шарошка; 5— фрезер-

вставными твердосплавными зубьями (шты — ный зуб; 6-палец
рями с различной формой рабочей поверхности). Ниже приведена номенклатура шарошечных долот конструкции СКВ «Геотехника», а основные конструктивные параметры указаны в табл. 3.38.

Тип долота Диаметр, мм

TOC o "1-5" h z ТК, К……………………………………………………….. 46

Т, ТК, К…………………………………………………….. 59

СТ, Т, ТКЗ, К ………………………………………… 76

М, С, Т, ТЗ,………………………………………. К 93

М, С, Т, ТЗ,………………………………………. К 112

М, С, Т, К 132

С, Т, К…………………………………………………. 151

Таблица 3.38. Основные конструктивные параметры долот Тип долота Действие вооружения долота на разрушаемый забой Кинематическая схема Вооружение шарошек М Режуще-скалывающее Большое скольжение ос­новных конусов шарошки Стальные фрезерованные зубья (угол заострения а = 37-39°) СиСТ Скалывающее Качение со значительным проскальзыванием основ­ных конусов шарошки Фрезерованные стальные зубья Т и ТК Т Ударно-скалывающее Чистое качение с неболь­шим проскальзыванием основного конуса Фрезерованные стальные зубья (а = 45—50°) и твер­досплавные штыри Комбинированное (сталь­ные зубья и твердосплав­ные штыри) К Ударное Чистое качение без про­скальзывания Цилиндрические твердо­сплавные штыри со сфе­рической головкой

Примечание. Зубья шарошек долот типа М, С и Т имеют одностороннюю наплавку мелкозернистым твердым сплавом.

По расположению и конструкции промывочных или продувочных каналов долота выпускают с центральной промывкой, боковой гидро­мониторной промывкой, центральной и боковой продувкой. Область применения шарошечных долот различных типов очень разнообразна (табл. 3.39).

Трехшарошечные долота позволяют наиболее полно использовать габариты скважины для размещения шарошек, вооруженных наиболь­шим числом рабочих и калибрующих зубьев. Наряду с этим они по­зволяют разместить наиболее мощные опорные подшипники.

Трехшарошечные долота геологоразведочных скважин выпускают четырех типов —ОК, К, Т и С диаметром от 46 до 151 мм.

Таблица 3.39. Рекомендуемые типы шарошечных долот для характерных пород Тип долота Категория по буримости Характеристика горных пород Наименование пород М 1-Ш Мягкие Глина, мел, гипс, торф, пески С 1У-У Средней твердости Алевролиты, аргиллиты, слюдистые слан­цы, мрамор, измененные мергели, слабые известняки, уплотненные глины ст У-У1 Средней твердости с пропластами твердых Кварцево-слюдистые и ожелезненные алевролиты, окремненные аргиллиты, хлорит-серицитовые сланцы, слабосце — ментированные песчаники, мраморы, окремненные мергели т VI-VII Твердые Доломиты, скарнированные известняки, серпентиниты, амфиболиты, слюдистые гнейсы, габбро, измененные диориты, ба­зальты, измененные порфирита тз VI—VII Твердые абразивные Известняки органогенные, тонкозерни­стые, пелитоморфные, участками окрем­ненные, цоломитизированные тк УН-УШ Твердые с пропластка- ми крепких Ороговикованные алевролиты, скарни — рованные доломиты, кварцевые, рудные и тонкозернистые алевролиты, мелкозер­нистые песчаники, гравелиты, выветре — лые габбро-диориты, выветрелые грано — диориты, гранит-порфиры, туфы, песча­нистые и кварцевые сланцы ткз УН-МН Твердые абразивные породы с пропластками крепких Аргиллиты, иногда окремненные, алевро­литы и песчаники мелкозернистые, квар­цевые, роговики, андезиты, андезито-ба — зальты к УШ-Х1 Крепкие Кремнистые аргиллиты, мелкозернистые кварцевые песчаники, окремненные из­вестняки и доломиты, кварцевые дио­риты, граниты, сиенит-порфиры, пег­матиты, кварцевые порфиры, гнейсы и гранито-гнейсы, андезиты, андезито — базальты

Преимуществом двухшарошечных долот (рис. 3.36) над трехшаро­шечными является возможность бурения скважин малого диаметра на глубину до 2000 м с использованием легкого бурового оборудования.

Каждая отдельная секция двухшарошечного долота имеет большие диаметры шарошек по сравнению с трехшарошечными, что позволяет иметь на шарошке увеличенное число зубчатого или твердосплавного вооружения при увеличенном шаге между зубьями. Эта конструктив­ная особенность двухшарошечных долот позволяет наносить по забою более интенсивные удары со сколом более крупных частиц разбу­риваемой породы. Недостаток двухшарошечных долот — недостаточно мощное калибрующее вооружение.

Значительной мощностью опорных подшипников обладают дис­ковые долота (рис. 3.37), габаритные размеры которых на 60—70 % больше, чем подшипники двухшарошечных или трехшарошечных долот. Дисковые долота диаметром 76 и 93 мм относят к долотам режуще — скалывающего типа. Они имеют два рабочих диска, оснащены твер­досплавными цилиндрическими зубьями по всему периметру рабочих дисков и монтируются с помощью подшипников качения и скольже­ния на коленчатой оси, которая крепится к корпусу долота с помощью двух лап. Забой промывают через центральное отверстие, которое на

выходе раздваивается на два канала, на — Б-Б

Рис. 3.37. Дисковое долото фрезерного типа: / — лапа; 2 —диск; 3 — шариковый подшипник; 4 — эксцентричная ось; 5 — втулка; 6 — шпонка

правляющих потоки промывочной жидко­сти к периферийной области забоя.

Лопастные долота для бурения геолого­разведочных скважин в мягких породах и породах многолетней мерзлоты с содержа­нием твердых включений разрушают породу в режиме резания с промывкой или шнеко­вым способом. Их применяют при бурении геологоразведочных, гидрогеологических, ин­женерно-геологических, сейсморазведочных и технических скважин.

Эффективность лопастных долот обус­ловливается простотой конструкции, не­высокой стоимостью, высокими механиче­скими скоростями бурения и значительным ресурсом.

Область применения и основные кон­структивные параметры лопастных долот типа М и МС (рис. 3.38) для бурения с промывкой приведены в табл. 3.40. Номенк­латура лопастных долот для шнекового бу­рения—в табл. 3.41.

Лопастные долота для шнекового буре­ния типа М диаметрами Г5Т и 165 мм сту­пенчато-выпуклой формы с криволинейны­ми режущими гранями армированы твер­досплавными пластинами сечением 4×4 и 3×5 мм. Наличие на лопастях режущих ступенчатых граней криволи­нейной формы повышает устойчивость и снижает вибрацию шнековой колонны. Расчленение забоя на отдельные зоны разрушения и цент­ральная рассечка позволяют получить высокий ресурс и механиче­скую скорость бурения.

Лопастные долота диаметром 198 мм конусно-выпуклой формы с криволинейными режущими гранями армированы твердосплавными пластинами сечением 3×5 мм. Одна из лопастей выполнена в виде калибрующего сектора. Усиленное вооружение режущих лезвий рез­цами удлиненной формы дает возможность получить высокую произ­водительность бурения при небольших осевых нагрузках. Твердосплав­ные пластины установлены в открытых пазах. Калибрующая часть лопастей армирована твердосплавными цилиндрическими или восьми­гранными зубками, предохраняющими долото от износа по диаметру.

Лопастные долота типа МС диаметром 151 мм ступенчато-выпук­лой формы с конусно-выпуклыми режущими гранями армированы цилиндрическими твердосплавными зубками диаметром 5 мм. Рас­членение забоя на отдельные зоны разрушения и центральная рассечка позволяют получить высокий ресурс и высокую механическую ско-

Рис. 3.38. Лопастные долота режущего типа: о — с калибрующим сектором; 6 — со сфе­рической формой лезвия; в — с опережа­ющим лезвием; г — с угловым смещени­ем лезвий; д — с пересекающимся воору­жением

Таблица 3.40. Основные конструктивные параметры лопастных долот для характерных горных пород Тип лопастных долот Категория по буримости Характеристика пород Конструктивные особенности М I—IV Мягкие, в том числе мерзлые и вязкие Лопасти пикообразной формы, армиро­ваны удлиненными твердосплавными пластинами размером 3×5 мм, установ­ленными в открытых пазах; усиленное вооружение режущих граней; наличие опережающих лезвий на периферийной части долота; калибрующая часть лопа­стей армирована твердосплавными ци­линдрическими зубками (восьмигран­никами); промывочные каналы направ­лены перпендикулярно к плоскости забоя мс I—IV То же, с содер­жанием твердых включений Лопасти пикообразной формы, армирова­ны твердосплавными цилиндрическими зубками (или восьмигранниками) диа­метром 5 мм; зубки установлены в теле лопастей; усиленное вооружение калиб­рующей и периферийной частей лопастей

Наружный диаметр, мм	Шифр (типоразмер) долота
ЗДРШ-151М	2ДРШ-165М	ЗДРШ-165М	1ДРШ-198М	ЗДРШ-151МС	1ДРШ-198МС
151 165 198	+	+	+	+	+	+

рость бурения. Расположение калибрующих зубков по винтовой ли­нии дает возможность увеличить механическую скорость бурения и предохранить долото от износа по диаметру.

Лопасти долота типа МС диаметром 198 мм — конусно-выпуклой формы. Одна из лопастей выполнена в виде калибрующего сектора. Кон­структивные особенности долота позволяют при бурении улучшить вынос шлама и увеличить механическую скорость при небольших осевых на­грузках. Режущие и калибрующие части лопастей армированы твердо­сплавными зубками восьмигранной формы. Во избежание скалывания при встрече с твердыми включениями зубки установлены в теле лопастей.

Пикообразные долота (пикобуры) предназначены для бурения в пла­стичных мягких породах, представленных песчано-глинистыми отло­жениями, мягкими и вязкими сланцами на глинистом и известковом цементе I—IV категорий

При бескерновом бурении используют различные конструкции пи­кобуров, изготовляемых в механических мастерских геологоразведоч­ных организаций: пикобур В. П. Новикова, типов ПЦ и ПР.

Пикобур В. П. Новикова представляет собой трубчатый корпус, к которому в три яруса приварены девять трапецеиадальных ребер. На нижнем конце корпуса на резьбе навинчен трехгранный пирами­дальный наконечник. Ребра корпуса и пилота армированы пластинча­тыми резцами твердого сплава ВК8. Долота типа ПЦ (диаметром 112, 132 и 151 мм) применяют для разбуривания цементных пробок и ме­таллических изделий, подлежащих разрушению после цементирования скважин, долота типа ПР (диаметром 132 и 151 мм) — для расширения ствола скважины в мягких породах с пропластками пород средней твер­дости. Боковые грани этих долот имеют усиленную наплавку релита.

Параметры режима бурения рассчитывают по этим же зависимо­стям (3.27), (3.28), (3.31) с учетом значений, приведенных в табл. 3.42.

Шарошечные долота специального назначения применяют в особых геолого-технических условиях, а также при использовании специаль­ного бурового оборудования и для выполнения специальных задач при сооружении скважин используют шарошечные буровые долота специального назначения: для гидроударного бурения и бурения с про­дувкой; шпуровые долота; для направленного бурения и для гидро­транспорта шлама. Разрабатываются буровые долота и других типов в связи с развитием новых способов бурения.

Шарошечные долота для гидроударного бурения имеют утопленные опоры, способные выдерживать значительные ударные нагрузки, на-

правляемые забойным двигателем через подшипники опор на шарош­ки. При использовании серийных шарошечных долот в гидроударном бурении наиболее слабым звеном являются роликовые и шариковые подшипники, которые разрушаются при непродолжительной работе долота на забое. После их разрушения долото полностью становится непригодным в эксплуатации.

Созданные в СКБ «Геотехника» новые долота для гидроударного бурения 4ДГ-115К и 4ДГ-96К имеют утопленные шариковые замковые подшипники, т. е. зазоры между беговыми дорожками на цапфе лапы и на корпусе шарошек больше диаметров шариков на величину допу­стимого износа. Поэтому шарики воспринимают только усилия, дейст­вующие вдоль оси шарошки, а ударные радиальные усилия восприни­маются подшипниками скольжения. У этих долот сближены торцовые поверхности подшипников лап и шарошек, что также позволило уси­лить передачу ударных нагрузок на твердосплавные зубки шарошек.

Испытания долот 4ДГ-115К и 4ДГ-94К показали их значительное превосходство (на 50—70 %) над серийными шарошечными долотами по проходке и механической скорости. В шарошечных долотах диаметром 76 мм для гидроударного бурения вообще исключен шариковый замковый подшипник и заменен боковыми замковыми штифтами и перекрывающи­ми замковый паз на цапфе лапы, устанавленными в корпусе шарошки.

Рис. 3.39. Шарошечное долото для бурения с продувкой

Шарошечные долота для бурения с продувкой предназначены для сооружения сухих обезвоженных скважин в основном небольшой глубины, а также для бурения скважин в подземных условиях и взрыв­ных скважин на открытых карьерах. Отличительной особенностью этих до­лот является наличие специальных ка­налов 7, направляющих потоки возду­ха или газовых смесей через внутрен­нюю полость лап 2, далее через рас­точку 3 в замковом пальце и потом через цапфу лапы 4 во внутреннюю полость шарошки 5. Нагнетаемый че­рез эти каналы 7 воздух выносит аб­разивные частицы, проникшие с за­боя в опорные подшипники, и охлаж­дает их, что способствует увеличению долговечности опорных подшипников и повышает работоспособность доло­та (рис. 3.39).

Для лучшей циркуляции воздуш­ного потока в призабойной зоне на боковых гранях лап приваривают бо­ковые косынки, которые закрывают свободное пространство между корпу­сом долота и шарошками и направля­ют поток воздуха вниз до забоя.

Шпуровые шарошечные долота используют для бурения шпуров глубиной до 15 м в твердых и крепких породах. В этих условиях наиболее важное значение имеет механическая скорость бурения с ис­пользованием долота, поэтому на основных конусах шарошек твердо­сплавные зубки располагаются в шахматном порядке, угол наклона осей шарошек к оси долота увеличивается до 53° и снижается насы­щенность калибрующего вооружения на затылочном конусе.

Шарошечное долото 2Д-59ТК диаметром 59 мм для бурения шпуров разработано в СКВ «Геотехника». Отличительная особенность его — способность сферического замкового подшипника выдерживать зна­чительные осевые динамические нагрузки и вибрации.

Шарошечные долота для направленного бурения предназначены д ля искусственного искривления скважин. Конструкции таких долот имеют специальное калибрующее вооружение на затылочном конусе шаро­шек и на периферийных венцах. Это вооружение должно обеспечивать боковое врезание в стенку скважины при проходке через отклонители различных типов, поэтому оно выполнено в виде твердосплавных зубков, максимально уменьшенных диаметров для обеспечения наибольшей насыщенности врезающейся части калибрующих конусов.

Разработанное в СКВ «Геотехника» шарошечное долото диамет­ром 76 мм для направленного бурения имеет большие габариты ша­рошек за счет увеличения угла наклона осей шарошек к оси долота и перенасыщенное вооружение на периферийных венцах из твердо­сплавных зубков размером 4×6 мм, а также термообработанных дис­ковых перемычек, расположенных между зубками.

Шарошечные долота для гидротранспорта шлама выпускают раз­личных конструкций. Они способны обеспечить получение крупных частиц породы при разрушении забоя, что очень важно для оценки содержания в породе полезных ископаемых. Разработку конструкций таких долот ведут в двух направлениях: при ударном воздействии во­оружения на забой и при ударно-скалывающем воздействии. В пер­вом случае создаются шарошечные долота, у которых шарошки осна­щены высокими твердосплавными зубками с клиновидной рабочей поверхностью, во втором — комбинированные шарошечно-дисковые до­лота, у которых конструкция состоит из одной вертикальной шарош­ки, обрабатывающей периферийный участок забоя и наружный диа­метр скважины, и другой дисковой фрезерующей шарошки, располо­женной с противоположной стороны и разрушающей поверхность забоя со сколом крупных частиц породы.

Шарошечные калибраторы и расширители предназначены для ка­либрования ствола скважины до номинального диаметра при износе долота в абразивных породах, центрирования и улучшения условий работы долота, предохранения его от износа. Кроме того, калибрато­ры увеличивают жесткость компоновки нижней части бурильной колонны, предохраняя ствол скважины от искривления.

Для калибровки диаметра скважины при геологоразведочном буре­нии в основном применяют шарошечные расширители кольцевого типа
(рис. 3.40). Шарошки таких расширителей имеют форму, позволяющую охватывать корпус по на­ружному диаметру. Кольцевые шарошки снаб­жены твердосплавными цилиндрическими зубка­ми со сферической рабочей поверхностью, которые располагаются по наружному диаметру, а на внут­реннем диаметре находятся опорные подшипни­ки. Кольцевые шарошки с помощью подшипни­ков монтируются на эксцентричных промежуточ­ных втулках.

Рис. 3.40. Шарошечный калибратор: 1 — резьба для соединения с буровой колонной; 2 и 8 — специальные пазы для свинчивания и развинчива­ния; 3— корпус; ‘/—коль­цевые шарошки; 5 —твер­досплавные цилиндриче­ские зубки со сферической рабочей поверхностью; 6— эксцентричные проме­жуточные втулки; 7— цент­ральный канал для про­хода промывочной жидко­сти в долото; 9— резьба для соединения с долотом

На корпусе калибратора имеется резьба для соединения с долотом и бурильной колонной. В центре корпуса проходит центральный канал для подачи промывочной жидкости в долото. В верхней и нижней частях корпуса калибратора имеются специальные пазы для свинчивания и развинчивания. Эксцентричные втулки, на кото­рых монтируются кольцевые шарошки, распола­гаются на корпусе таким образом, что смещение центральной оси шарошки происходит через 120°.

Цилиндрические твердосплавные зубки со сфе­рической рабочей поверхностью размещены по наружному диаметру в шахматном порядке и обес­печивают равномерное разрушение выступов на стенках скважины. Отдельные шарошки имеют сплошной стальной сектор под углом 15—20°, рас­полагающийся на уровне верхних рабочих пло­щадок твердосплавных зубков. Такой сектор обес­печивает ликвидацию всех шероховатостей, кото­рые остаются после работы ударных сферических поверхностей твердосплавных зубков.

На нижнем венце зубков каждой кольцевой шарошки создается небольшой заходный угол, равный 5—10°, для обеспечения нормальной ра­боты калибратора при значительном уменьшении диаметра. Твердосплавные зубки на этих венцах располагаются под небольшим углом к горизон­тальной плоскости.

Выпускаются шарошечные расширители, по­зволяющие разбуривать скважины с одного диа­метра на другой. Один шарошечный калибратор обеспечивает работу 10—20 шарошечных долот при бурении скважин в твердых абразив­ных породах. Шарошки таких расширителей располагаются ступенча­то. Обычно компоновка их состоит из двух шарошек, расположенных друг против друга и разбуривающих одну ступень забоя (уступ). Мно­гоступенчатые расширители применяют для разбуривания скважин больших диаметров.

При бескерновом бурении геологоразведочных скважин буровой инструмент состоит из долота, колонны утяжеленных бурильных труб (УБТ) и бурильной колонны.

Технология бескернового бурения может быть реализована раз­личными видами долот: шарошечными, дисковыми фрезерного типа, лопастными режущего действия и долотами специального назначе­ния. При бурении геологоразведочных скважин наиболее широко ис­пользуют шарошечные долота. При этом в абразивных породах необ­ходимо калибровать стенки скважины по диаметру путем использова­ния калибраторов шарошечного типа, обеспечивающих сохранность диаметра ствола с минимальным искривлением.

Диаметр долота выбирается в соответствии с запроектированной конструкцией скважины, а тип долота —в зависимости от физико­механических свойств горных пород. Применение шарошечных и ло­пастных долот отражено в табл. 3.39 и 3.40.

Задачу выбора типа долота для разбуривания конкретной горной породы или пачки пород ВНИИБТ предлагает решить с учетом твер­дости и абразивности пород с помощью специальной классифика­ционной таблицы, изображенной на рис. 3.41. В ней на основании обобщения опыта отработки долот в различных районах эталонными точками помечены сочетания категорий твердости (Кт) и абразивно­сти (Ка) пород, для разрушения которых наиболее подходят сущест­вующие типы шарошечных долот.

§ & с е6 и о X а к 3 4 сх ю я

Если требуется выбрать тип долота для разбуривания пород с раз­личными механическими свойствами, то необходимо определить сред-

К

ок

»

кЛ

ТЗ’

гкз

СЗ

N М3

[СЗ* •

М

0 •1

м

с|

Ве]

эоят

• *ая с

власть

Е

еро* мен

тна* ;ния дол

обл -алм эт

асть азнь

х—

режущего и ист — рающего. действ

И- ия

а о

п 2 4 6 8 10 12 Категория твердости пород, Кт

Рис. 3.41. Классификационная таблица парных соответствий категорий твердости и абразивности пород типам шарошечных долот

невзвешенные значения категорий твердости и абразивности, соот­ветственно:

п

X АГТ(/)/я,

<3-24>

п

Хг (I

К^^—, (3.25)

где ЛГт(/) и ЛГа(0 — соответственно категории твердости и абразивности пород /-Й разновидности; /и, — мощность /-го прослоя породы; М — мощность выделенного слоя породы.

Например, из рис. 3.41 видно, что расчетная точка Д с коорди­натами 6,6 и 5,4 наиболее близко расположена к эталонной точке, соответствующей долоту типа ТЗ, ТКЗ ( для разбуривания твердых абразивных, твердых абразивных с пропластками крепких пород).

Диаметр УБТ принимается по рекомендациям, указанным ниже

Диаметр долота, мм Рекомендуемый диаметр УБТ, мм

TOC o "1-5" h z 93…………………………………………………………………… 73

112…………………………………………………………………. 89

132…………………………………………………………………. 108

151…………………………………………………………………. 127

161…………………………………………………………………. 127, 146

190…………………………………………………………………. 146

Длина колонны УБТ (в м) Ly определяют после вычисления осе­вой нагрузки на долото по формуле

кР

L., =———- Ш———- , (3.26)

cos©

где к = 1,25 — коэффициент увеличения веса колонны УБТ относи­тельно осевой нагрузки на долото Рд; qy — масса 1 м УБТ, кг; р и рм — плотность соответственно очистного агента и материала труб; © — зенитный угол, град.

Технологический режим бескернового бурения определяют сле­дующими основными параметрами: осевой нагрузкой на долото, час­тотой его вращения и расходом промывочной жидкости.

Осевую нагрузку желательно подбирать таким образом, чтобы раз­рушение горной породы осуществлялось в режиме объемного разру­шения. Этот параметр для шарошечных и лопастных долот определя­ют по формуле

Рл = РулО, (3.27)

где Руд — удельная нагрузка на 1 см диаметра долота, кН; D — диаметр долота, см.

При бурении алмазными долотами Рад определяют из выражения

Р,* = РУЛ (3.28)

где Руд — удельная нагрузка, принимаемая для однослойных долот Руа = = (0,5—0,7) • 104 кН/м2; для импрегнированных Руп = (0,75—1,2) • 104 кН/м2.

Значения удельных осевых нагрузок, приведенные в табл. 3.42, представлены на основании опыта бурения скважин и эксперимен­тальных исследований.

Таблица 3.42. Рекомендуемые значения параметров режима бурения Долото Параметры режима бурения удельная нагрузка на 1 см диаметра долота Рт, кН окружная скорость долота и„, м/с Лопастные 0,6-0,9 0,8-1,6 Пикобуры 0,45-0,95 0,6-1,2 Трехшарошечные: М и ГМ 2,0 0,8-1,2 С и СТ 2,0-2,4 1,0-1,2 ТиТК 2,4-3,0 0,6-1,0 К (штыревые) 3,0-4,0 0,6-0,8

Верхние пределы Руд следует выбирать для более твердых пород. При бурении трещиноватых, неоднородных по структуре и твердо­сти, а также пластичных пород осевую нагрузку следует уменьшать на 25—30 % по сравнению с бурением аналогичных монолитных пород.

С учетом твердости пород минимальную осевую нагрузку на до­лото, обеспечивающую объемное разрушение, определяют по фор­муле

Рц= кш6РшЗк, (3.29)

где /св6 — коэффициент, учитывающий влияние факторов, действую­щих в реальных условиях бурения, и изменяющийся от 0,3 до 1,6 (наиболее часто кш6 = 0,4—0,7); Рт — твердость породы, определенная при статическом вдавливании штампа в атмосферных условиях; 5К — площадь контакта зубьев долота с забоем, которую приближенно можно вычислить из выражения

5к=1,32»,й, (3.30)

где 1,3 —опытный коэффициент, учитывающий фактическую сред­нюю площадь контакта при нулевом погружении зубьев; к„ — коэф­фициент перекрытия забоя зубьями долота, для долот с многоконус­ными шарошками со смещенными осями к„ = 0,7—1,2, с одноконус­

ными без смещения Ля=1,5—1,9.

Формула (3.29) позволяет получить лишь ориентировочное значе­ние Рд, поскольку не учитывает работоспособность опор и вооруже-

ние долот в зависимости от частоты вращения. Если Рш и &м6 неиз­вестны, то Ра для шарошечных долот Б> 190 мм можно практически определить по удельной нагрузке Руд (в кН/мм). Ниже приведены рекомендуемые значения Руа для долот диаметром /)> 190 мм.

Горные породы Р№ кН/мм

Весьма мягкие …………………………………………………………………………………. <0,2

Мягкие и среднемягкие, а также мягкие породы

с прослойками пород средней твердости и твердых…………………. 0,2—0,5

Породы средней твердости с прослойками твердых ………………… 0,5—1,0

Твердые породы…………………………………………………………………………… 1,0—1,5

Крепкие и очень крепкие породы………………………………………………………. >1,5

Примечания: 1. С уменьшением О эти величины снижаются и для 140-мм долот они ниже примерно в 1,5—2 раза. 2. Наибольшая Рт лимити­руется прочностью вооружения долота и подшипников.

Частоту вращения долота (в мин“1) рассчитывают по величине принятой окружной скорости долота со:

п = ^-. (3.31)

пи

При выборе значений окружной скорости долота необходимо учитывать абразивность и трещиноватость пород. В трещиноватых и сильно абразивных породах, а также при значительных глубинах сле­дует принимать нижние пределы и„ (см. табл. 3.42).

Частоту вращения выбирают также с учетом мощности бурового оборудования и прочности бурильной колонны, чтобы обеспечивать интенсивное вращение долота при проходке вязких пород. При бу­рении вязких глин и глинистых сланцев, когда необходим большой крутящий момент, частота вращения снижается до минимума, а при бурении сыпучих пород типа галечников — увеличивается. Частота вра­щения может быть максимальной при бурении песчаников, посколь­ку в этом случае сопротивление породы вращению долота будет не­значительным.

Частоту вращения алмазного долота определяют исходя из значе­ний критической окружной скорости долота, которая для алмазных долот геологоразведочного стандарта составляет 1,0—1,6 м/с.

Требуемый расход промывочной жидкости (при прямой циркуля­ции) рассчитывают (в м3/с) по формуле

0 = |(Д2-</>в, . (3.32)

где Б и й— соответственно диаметр скважины и наружный диаметр бурильных труб, м; ив — скорость восходящего потока промывочной жидкости, м/с. Ниже приведены рекомендуемые рациональные пре­делы скоростей восходящего потока в зависимости от вида породо­разрушающего инструмента.

Вид породоразрушающего инструмента о„ м/с

Лопастные долота, пикобуры………………………………………………………. 0,6—0,8

Трехшарошечные долота:

М и МГ………………………………………………………………………………. 0,6-0,8

С и СТ………………………………………………………………………… 0,6-0,8/0,6-1,0

Т и ТК………………………………………………………………………… 0,4-0,6/0,6-0,8

К……………………………………………………………………………………….. 0,4-0,6

Вынос крупного шлама обеспечивается при промывке скважины глинистым раствором. Особенно осторожно следует вести бурение в липких вязких породах, когда происходит налипание породы на долото и начинают образовываться сальники. При этом необходимо увеличить расход промывочной жидкости, снизить до минимума осе­вую нагрузку и частоту вращения.

При бескерновом бурении основными признаками, указывающи­ми на необходимость подъема долота, являются:

•/ резкое снижение механической скорости бурения или полное прекращение углубки из-за заклинивания опор шарошек или полного износа долота;

У устойчивое снижение скорости бурения по однородным поро­дам по причине износа вооружения шарошек.

Шарошечные долота снимают с эксплуатации, если тавердосплав — ные зубки изношены более чем на 80 % или зубья шарошек изношены на 2/3 их высоты, люфты шарошек достигают доя долот диаметром 59 и 76 мм более 4 мм, диаметром 93 мм — более 5 мм, диаметром 112 и 132 мм —более 6 мм и диаметром 151 мм —более 7 мм; вершины шарошек полностью изношены; износ по диаметру более 3 мм.

Критериями снятия с эксплуатации дисковых и лопастных долот являются предельные значения износа, вызывающие снижение меха­нической скорости бурения (табл. 3.43).

Таблица 3.43. Значения износа дисковых и лопастных долот, вызывающих снижение механической скорости Критерии износа Дисковые долота Лопастные долота Геологоразведочные скважины Скважины другого назначения Наружный диаметр долот, мм 3,0 3,0 10,0 Износ вооружения, % 50 70 75 Люфт опор, мм 2,5 — —

3.8. Объемное упрочение породоразрушающего инструмента

В настоящее время разработаны способы модификации свойств твердых сплавов и композиционных алмазосодержащих материалов, которые позволяют производить объемное упрочнение этих материа­лов за счет изменения их физико-механических характеристик. К таким методам относят криогенную обработку (при низких отрицательных температурах), радиационное облучение малыми дозами гамма-кван — тов или их комплексное воздействие. Технология криогенной обра­ботки породоразрушающего инструмента разработана в Томском по­литехническом университете (С. Я. Рябчиков, А. П. Мамонтов).

Криогенная обработка инструмента — это способ термической обра­ботки, достигаемый путем «ударного» охлаждения изделий или образ­цов материалов при быстром погружении их в среду жидкости с низ­кой отрицательной температурой (от -150 до -269 °С). Самой доступной и дешевой жидкостью с глубокой отрицательной температурой явля­ется жидкий азот, поэтому его широко применяют в криогенных технологиях, в том числе и при упрочнении породоразрушающего ин­струмента. Технический жидкий азот (ГОСТ 92193—74) — это бес­цветная жидкость с температурой кипения при атмосферном давле­нии -196 °С и плотностью 0,8 г/см3 с содержанием кислорода не бо­лее 3 %. В чистом виде он не взрывоопасен. Транспортировку жидкого азота необходимо проводить в сосудах Дьюара типа АСД или ЦСД емкостью от 15 до 100 л.

Обработку породоразрушающего инструмента производят в крио­статах. Небольшие партии инструмента можно обрабатывать в метал­лических пищевых термосах и в лабораторных сосудах Дьюара. По­ступивший для термообработки инструмент подвергают очистке от консервирующей смазки и обезжириванию с помощью щелочных (моющих) растворов, керосина или уайт-спирита, температура кото­рых должна быть не менее 50 °С. Коронки в азоте выдерживаются 10—15 мин, а шарошечные долота — 20—25 мин. При испарении жидкого азота содержание кислорода в нем увеличивается. Образую­щаяся при этом азотно-кислородная смесь с содержанием кислорода более 30 % при контакте с органическими (горючими) соединениями или открытым огнем, а также при ударе может взорваться, поэтому использовать ее запрещается. Содержание кислорода в жидком азоте определяют прибором Лемпеля типа ПАК-3.

Производственные испытания термообработанных алмазных коро­нок различных типов показали, что износостойкость их увеличивается на 10—30 %. Износостойкость твердосплавных коронок и механиче­ская скорость бурения ими увеличиваются до 40 и 30 % соответственно. Причем с увеличением твердости пород эффективность бурения тер­мообработанными твердосплавными коронками существенно воз­растает.

Более сложная конструкция шарошечных долот, наличие смазки в опорах вызывают дополнительные требования к технологии крио­генной обработки. Испытания твердосплавных шарошечных долот ма­лого диаметра (46—76 мм) показали, что термообработка их позволяет увеличить ресурс на 22,5 %, а механическую скорость бурения — на 5,1 %. Износостойкость термообработанных долот большого диаметра (146— 295 мм) позволила увеличить их ресурс до 30 %, а скорость бурения — до 17 %. При этом износ вооружения и опорных элементов у обра­

ботанных долот оказался меньше в 1,5—5 раз. Скол зубков у опытных долот составил от 10 до 30 %, а у серийных достигал 100 %.

Радиационное облучение является одним из видов упрочнения породоразрушающего инструмента. В основе радиационной технологии лежит эффект упорядочения структуры несовершенных кристаллов ма­лыми дозами гамма-квантов или электронов, когда слабое воздейст­вие ионизирующего излучения вызывает существенную перестройку их и соответственно улучшение ряда физических свойств. Такое об­лучение не вызывает остаточной радиации и поэтому технология работ безопасна.

Радиационная обработка алмазных и твердосплавных коронок про­изводилась в Томском политехническом институте на излучателе гам­ма-квантов «Исследователь-1» и линейном ускорителе ЭЛУ-4.

Производственные испытания обработанных алмазных коронок по­казали, что радиационное облучение их малыми дозами гамма-квантов заметно повысило технико-экономические показатели бурения сква­жин. Лучшие показатели получены для коронок типа 01АЗСВ60-30, 01АЗД60К40, К-01: проходка на коронку увеличилась на 42—51 %, а ме­ханическая скорость бурения для коронок различных типов повыси­лась от 12,3 до 44,4 %. В меньшей степени, как и при криогенной обработке, повысились проходка на коронку и механическая скорость при бурении импрегнированными коронками, что свидетельствует о более совершенной структуре их композита, которая изначально оп­ределяет более высокие прочностные свойства этих коронок.

Испытания твердосплавных коронок типа СА4-76, облученных ма­лыми дозами гамма-квантов, проводились в ПГО «Запсибгеология» при бурении плановых скважин глубиной до 300 м (15 коронок об­лученных гамма-квантами и 15 — базовых). Горные породы были пред­ставлены песчаниками VII—VIII категорий по буримости. Бурение скважин осуществлялось с применением буровой установки УКБ-4П. Испытания показали, что проходка на опытную коронку при бурении скважин в породах VII категории увеличилась на 68 % (с 4,7 до 7,9 м), а при бурении в породах VIII категории — на 75 % (с 2,6 до 4,5 м); механическая скорость бурения возросла соответственно на 28 и 42 %.

В процессе испытаний после каждого рейса производился визу­альный осмотр коронок и анализ поверхности штабиков с использо­ванием бинокулярной лупы, который показал, что в процессе отра­ботки твердосплавные резцы, припаянные к стальным штабикам, более интенсивно разрушены у базовых коронок. Здесь наблюдается боль­шее количество трещин, сколов, деформаций. После отработки твер­досплавные резцы на базовых коронках были разрушены практически полностью. На коронках, облученных малыми дозами гамма-квантов, после полной отработки, как правило, на каждом штабике имеются еще ненарушенные отдельные участки твердосплавных резцов. Это сви­детельствует о том, что в процессе облучения происходит не только упрочнение твердосплавных резцов, но улучшаются и адгезионные свойства паяльных швов, что, в свою очередь, способствует увеличе­нию работоспособного периода каждого резца, повышению ресурса коронки в целом, увеличению механической скорости бурения и проходки за рейс.

Комплексная криогенно-радиационная обработка алмазного инстру­мента наряду с положительным эффектом снижает некоторые проч­ностные характеристики матрицы. Так, криогенная обработка повы­шает ее хрупкость, а облучение малыми дозами гамма-квантов при­водит к снижению микротвердости. Для сохранения полученного при криогенной обработке положительного эффекта (повышение микро­твердости и жесткости) необходимо снизить хрупкость матрицы, по­высить ее пластичность (величину деформации) при сохранении или незначительном понижении твердости.

Эта проблема решается путем комплексной криогенно-радиацион — ной обработки инструмента. Испытания показали, что такая обработ­ка алмазных коронок дает значительно больший эффект по сравне­нию с одной криогенной обработкой при облучении малыми дозами гамма-квантов.

Комментарии запрещены.