Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Твердосплавными коронками бурят почти половину всего объема разведочных колонковых скважин. Наличие различных типов коро­нок позволяет проходить как мягкие осадочные породы I—IV катего­рий, так и более твердые метаморфизированные, изверженные поро­ды V—VII и частично VIII—IX категорий по буримости. Эффективное разрушение горной породы твердосплавными коронками достигается за счет рационального подбора состава твердого сплава, геометрии резцов, их расположения по торцу коронки, развитой промывочной системы и оптимального сочетания параметров режима бурения.

Твердосплавная коронка состоит из металлического цилиндриче­ского корпуса, на одном конце которого имеется наружная резьба для соединения с колонковой трубой, а на другом в пазах установлены твердосплавные пластины — резцы. Резцы должны перекрывать торец и выступать за наружную и внутреннюю боковые поверхности корпу­са коронки, а также возвышаться над торцом. Величину выхода резцов за наружную и внутреннюю поверхности корпуса коронки принима­ют в зависимости от твердости пород, их устойчивости и скорости углубления. Для бурения мягких пород резцы должны значительно выступать за боковые поверхности и возвышаться над торцом на 4— 5 мм и более. Для бурения в твердых породах резцы в коронке высту­пают за наружную и внутреннюю поверхности на 0,5—1,0 мм, а над торцом —на 1,5 —2,5—3 мм. В зависимости от выпуска торцовых рез­цов забой может быть плоским, одно — или многоступенчатым. Сту­пенчатая форма забоя обеспечивает более эффективное разрушение горной породы.

Резцы в коронке в вертикальной плоскости могут располагаться вертикально, с наклоном в сторону вращения коронки с положитель­ным передним углом и наклоном против направления вращения с отри­цательным передним углом 5 (рис. 3.1). Положительный угол обеспе­чивает повышение скорости бурения в мягких породах, а отрицатель­ный — в твердых. В зависимости от твердости горных пород меняется и угол заострения резца. Для бурения мягких пород I—IV категорий по буримости угол заострения его принимается равным 45—50°, а в породах V—VII категорий по буримости — 65°. В некоторых самоза­тачивающихся коронках угол заострения у резцов отсутствует.

7/7 7

/ / / /

б

/ //У

в

г

д

Рис. 3.1. Варианты расположения твердосплавных резцов коронки: а — расположение резца положительным передним углом; б—передний угол 8=0; « — расположение резца отрицательным передним углом; г, д — расположение резцов в торце коронки; а — угол резания; р —угол заострения; у —угол поворота резца относительно радиуса коронки

а

Резцы в горизонтальной плоскости могут быть повернуты относи­тельно радиуса коронки на угол у. Такую вставку резца называют ориентированной. При этом по ходу вращения коронки резец обра­зует двугранный угол, что повышает прочность резца и эффектив­ность разрушения пород средней твердости и трещиноватых с про — пластками более твердых.

Корпус твердосплавных коронок изготавливают из стали марок 30, 35 или 40 по ГОСТу 1050—74 или Ст4 по ГОСТу 380—71. Указанные стали обеспечивают достаточную прочность корпуса и хорошо смачи­ваются припоем в процессе пайки.

Ребра ребристых коронок изготавливают из тех же марок сталей, что и их корпуса; вкладыши и установочные пластины — из сталей марок 10, 20 и 35 по ГОСТу 1050-74 или СтЗ ГОСТу 380-71. Для из­готовления резцов применяют вольфрамо-кобальтовые металлокера­мические твердые сплавы типа ВК, основным компонентом кото­рых является карбид вольфрама — УС. Карбид вольфрама придает сплаву твердость и износостойкость, обеспечивает большую проч­ность. В зависимости от типа коронки применяют твердые сплавы с различными физико-механическими свойствами. Сравнительные ха­рактеристики твердых сплавов, применяемых в бурении, приведены в табл. 3.1.

Твердые сплавы типа ВК6, отличающиеся повышенной твердо­стью и износостойкостью, применяют для бурения более твердых и абразивных пород в коронках типа СМ и СА, твердые сплавы ВК8 — в коронках типа М.

Для соединения твердого сплава с корпусом коронки используют припои на медной основе (латунь 68 — Л68), выпускаемые по ГОСТу 15527— 70. Латунь представлена сплавом меди (67—70 %) и цинка (30—33 %).

Таблица 3.1. Характеристики металлокерамических твердых сплавов Марки Ориентировочный состав (без учета примесей), % Физико-механические свойства сплава сплава Карбид вольфрама Кобальт Предел прочности на изгиб, МПА Плотность, 103, кг/м3 Твердость Н К С, не менее ВК6 94 6 1200 14,6-15 88,0 ВК8 92 8 1400 14,4-148 87,5 ВК15 85 15 1650 13,9-14,1 86,0 ВК4В 96 4 1350 14,9-15,1 88,0 ВК6В 94 6 1400 14,6-15,0 88,0 ВК8А 92 8 1550 00 т 4fr 4fr* 87,5 ВК11В 89 11 1600 14,1-14,4 86,0

. і п 5 6 9

Элементами корпуса коронки являют­ся гладкая часть 1, резьбовая часть 2, ко­нусная расточка 3, а также наружный и внутренний диаметры (рис. 3.2).

Элементы режущей части — резец или пластина твердого сплава. По расположе­нию резцы подразделяют на основные 8, выполняющие основную работу по разру­шению горной породы, и подрезные — на­ружные, калибрующие диаметр скважины, и внутренние 9, обрабатывающие керн.

8 4 10

11 4 5 11 6 8

Рис. 3.2. Основные конструк­тивные элементы: а —коронок типа М; 6— коронок типов СМ, СТ; в — коронок типа СА

В самозатачивающихся коронках (см. рис. 3.2, в) режущая часть имеет встав­ку, состоящую из резца, опорной, уста­новочной и оберточной пластин. Элемен­ты резцов — передний и задний углы, углы заточки и поворота. Прочие элементы- вкладыши. Коронки, составляющие группы (а —в), отличаются конструкцией корпуса, формой резцов, их размещением и др.

Режущая часть коронок типа М (см. рис. 3.2, а) выполнена в виде ребер 7 с основными 8 и подрезными 9 резцами. У коронок типов СМ, СТ (см. рис. 3.2, б) и СА (см. рис. 3.2, в) имеются зубки 6, вырезаемые в торцовой части корпусов, которые армируются режущими вставка­ми 11 у коронок типа СА и основными и подрезными резцами 8 и 9 — у коронок типов СМ, СТ и СА.

Кроме того, у коронок М в ребрах, а у коронок СМ, СТ в промывочных пазах устанавливают дополнительные подрезные

резцы 10, калибрующие стенки скважины и керн. У коронок СА режущая часть имеет вставку 11, состоящую из резцов 8, закреплен­ных на ней с помощью оберточной пластины.

Гидравлическая система коронок состоит из промывочных кана­лов 4 и шламовых пазов 5. Корпус коронки 1 представляет собой кольцо, изготовляемое из трубной заготовки. Длина его независимо от диаметра должна быть не более 75 мм. Резьба имеет трапецеи­дальную форму, длина нарезки 30 мм. Резьба изготовляется по ГОСТу 6238-77.

Противоположный торец коронки имеет промывочные каналы (про­мывочные окна). Форма каналов зависит от конструктивных особен­ностей коронок и может быть трапецеидальной, прямоугольной и оваль­ной. Суммарная площадь промывочных каналов должна быть не менее минимальной площади сечения проходного отверстия в соединении колонны бурильных труб. Глубина промывочных каналов не превы­шает 10 мм. Кроме промывочных каналов, в гидравлическую систему резцовых и самозатачивающихся коронок входят шламовые пазы, расположенные по наружной поверхности короночного кольца. Фор­ма пазов в плане треугольная, их число определяют диаметром ко­ронки. Коронки типа М выпускают номинальных диаметров 93, 112 и 151 мм, типа СМ5 — 34, 46, 59, 76, 93, 112, 132 и 151 мм, ти­па СМ6 —46, 59, 76, 93, 112, 132 и 151 мм, типа СА1 — 36, 46, 59, 76, 93, 112 и 132 мм. Основные данные по размерам и характеристи­ке элементов некоторых типов твердосплавных коронок приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2. Основные размеры твердосплавных коронок Тип коронки Диаметр коронки, мм Наружный диаметр корпуса, мм Внутренний диаметр корпуса, мм Ширина торца корпуса, мм Наружный зазор, мм Внутренний зазор, мм Число шламовых пазов 1 2 3 4 5 6 7 8 СТ2 46 44,5 325 6 0,75 0,75 3-6 59 57,5 45,5 6 0,75 0,75 76 74 61 6,5 1 1 5-12 93 91 77 7 1 1 112 110 96 7 1 1 132 130 116 7 1 1 151 149 135 7 1 1 СМ4 76 74 61 6,5 1 1 6 93 90 77 6,5 1,5 15 112 109 96 6,5 1,5 1,5 132 129 116 6,5 1,5 1,5 8 151 148 135 6,5 1,5 1,5 СА2 36 34,5 22,5 6 0,75 0,75 3-10 46 44,5 32,5 6 0,75 0,75 СА5 59 57,5 44,5 6 0,75 1 0,75 76 74 61 6,5 1 4-8

1	2	3	4	5	6	7	8
СА6	93	90	77	65	15	1
	112	109	96	6,5	1,5	1
	132	129	116	6.5	15	1
СА4	46	445	22,5	6	0,75	0,75	3
	59	57,5	45,5	6	0,75	075	4
	76	74	61	6,5	1	1
	93	90	77	6,5	1,5	1
	112	109	96	6,5	1,5	1
	132	129	116	6,5	1,5	1	6

В настоящее время выпускают 10 типов твердосплавных коронок, применяющихся для бурения разных по физико-механическим свойст­вам горных пород. Конструктивные особенности коронок связаны со свойствами разбуриваемых пород (по категориям буримости). По это­му признаку твердосплавные коронки подразделяют на три группы для бурения:

✓ мягких пород (I—IV категорий);

у’ малоабразивных пород средней твердости (V—VII категорий);

У абразивных пород средней твердости (VII, VIII и частично IX ка­тегорий).

Характерным признаком коронок для бурения мягких пород яв­ляется наличие ребер на боковой поверхности, что обеспечивает мак­симальные зазоры между колонковой трубой и стенками скважины и хорошую очистку забоя скважины от шлама. За счет этого дости­гаются и лучшие показатели бурения в мягких пластичных и мало­связных породах. По конструктивному признаку эти коронки назы­вают ребристыми. Их характеристики приведены в табл. 3.3.

Таблица 3.3. Характеристики ребристых коронок Тип Диаметр, мм Количество ребер Количество твердосплавных резцов, шт. Масса коронки, кг наружный внутренний по торцу калибрую­ щих всего М5-93 93 59 4 16 4 20 1,05 М5-112 112 73 4 16 4 20 1,30 М5-132 132 91 6 24 6 30 1,70 М5-151 151 112 6 24 6 30 1,80

В коронках для бурения малоабразивных пород средней крепости основное влияние на показатели бурения оказывают форма резца, его размеры, расположение по торцу коронки. Коронки такого типа назы­вают резцовыми (тип СМ).

Для бурения абразивных пород средней крепости применяют само­затачивающиеся коронки (тип СА). В этих коронках применяют мелкие
резцы, а торец коронки имеет достаточную насыщенность резцами, что обеспечивает их самозатачивание в процессе бурения.

С учетом вышеперечисленных призна­ков твердосплавные коронки подразделяют на следующие группы:

— ребристые коронки для бурения мяг­ких пород М5(ГОСТ 10502—69) (рис. 3.3);

— резцовые коронки для бурения ма­лоабразивных пород средней твердости (гладкостенные): СМ4, СМ5, СМ6, СТ2 (ГОСТ 11108—70) (рис. 3.4); из них корон­ки СТ2 применяют при бурении в трещи­новатых породах;

— самозатачивающиеся коронки для бу­рения абразивных пород средней твер­дости (гладкостенные): СА1, СА2, СА4; (ГОСТ 11108-70), СА5 ТУ 41-61-289-77 и СА6 ТУ (рис. 3.5).

Самозатачивающиеся коронки по типу резцов и их расположению подразделяют на микрорезцовые СА2 (см. рис. 3.5), САЗ и СА6, тонкопластинчатые СА1 и комбинированные СА4, в которых содержатся элементы резцовых и самозатачивающихся коронок.

Технология бурения твердосплавными коронками включает целый комплекс вопросов, связанных с бурением скважины, получением и сохранением керна, предупреждением и искривлением скважины и ряд других.

При твердосплавном бурении по монолитным и слаботрещинова­тым породам колонковый набор состоит из фрезерного переходника, колонковой трубы и коронки. В сильно трещиноватых и малосвязных породах для повышения выхода керна применяют двойные колонко­вые трубы. Тип коронки подбирают на основании анализа физико­механических свойств горных пород, слагающих разрез скважины. Особое внимание уделяют абразивным, прочностным свойствам гор­ных пород, их трещиноватости и устойчивости.

Производительность бурения твердосплавными коронками зави­сит от технологических параметров режима бурения: осевой нагрузки на коронку, частоты вращения бурового снаряда и расхода очистного агента. Необходимо стремиться к оптимальному сочетанию этих па­раметров, которые могут обеспечить максимальную механическую скорость бурения при минимальной стоимости метра скважины.

Анализ количественных значений параметров режима бурения, проводимый многими организациями и исследователями, позволил установить следующие закономерности.

Осевая нагрузка оказывает сложное влияние на механическую ско­рость бурения. Установлена зависимость между механической скоро-

Рис. 3.4. Коронки СМ4 и СМ6:

/ — корпус; 2— центральный резец; 3 и 4— подрезные резцы (наружный и внутренний)

стью бурения и осевой нагрузкой, которая имеет вид параболы. Увели­чение осевой нагрузки вызывает повышение механической скорости бурения, но только до критического значения нагрузки. Затем наблю­дается снижение скорости бурения. Критическое значение осевой на­грузки определяют прочностными характеристиками горной породы и твердого сплава. Повышение осевой нагрузки вызывает упругие де­формации в колонне бурильных труб, появление вибраций в буро­вом снаряде и сколов в резцах твердосплавной коронки. При этом износ коронки увеличивается.

При практических расчетах осевой нагрузки пользуются удельным значением осевой нагрузки, приходящейся на один резец для коро­нок резцового типа или на одну вставку для самозатачивающихся коронок. Расчет осевой нагрузки (даН) на твердосплавную коронку выполняют по формуле

т ■

число основных резцов или

где р — нагрузка на 1 резец, даН; вставок в коронке.

Р=рт, (3.1)

б Рис. 3.5. Коронка СА2: а — трехрезцовое расположение; б — двухрезцовое расположение. / — основной резец; 2— опорная пластина; 3 — оберточная пластина; -/ — подрезной резец; 5—уста­новочная пластина

В табл. 3.4. приведены рекомендуемые значения рациональной удельной осевой нагрузки.

Таблица 3.4. Удельная осевая нагрузка для разных типов твердосплавных коронок Тип коронки Нагрузка на 1 резец (даН) для категории пород по буримости І-ІІ III IV V VI VII VIII Ребристые, тип М СМ СА 40-50 50-60 60-80 60-80 100-120 80-100 120-140 100-120 140-160 160-180

Частота вращения бурового снаряда существенно влияет на пока­затели работы твердосплавных коронок. Эта зависимость имеет вид параболы. Рост частоты вращения повышает механическую скорость до определенного максимума, затем наблюдается снижение скорости бурения, которое, очевидно, связано с износом коронок. Максимум механической скорости бурения для каждого диаметра коронки соот­ветствует различной частоте вращения. За критерий выбора опти­мальной частоты вращения коронки при бурении пород средней твер­дости принимают окружную скорость коронки, равную 1,4—1,5 м/с. Необходимую частоту вращения п рассчитывают по известной формуле:

6(ЬП„П

« = -^, (3.2)

где В — средний диаметр коронки, м; уокр — окружная скорость ко­ронки, м/с.

_ В[ + Р2

2 ’

где Д — наружный диаметр, м; Вг — внутренний диаметр коронки, м.

Меньшие значения окружной скорости берут для больших диа­метров, а большие — для малых.

При бурении скважин самозатачивающимися коронками частота вращения коронок увеличивается, приближаясь по значениям окруж­ных скоростей до 2—2,5 м/с. При бурении трещиноватых пород ча­стота вращения коронок снижается на 20—40 %.

При бурении мягких пород И—IV категорий по буримости частоту вращения коронок выбирают с таким расчетом, чтобы окружная ско­рость их не превышала 1,5—2,0 м/с; при этом предельные значения частоты вращения не должны превышать следующие:

наружный диаметр коронок, мм…………………………………………….. 93 112 132 151

предельные значения частоты вращения, мин-1 (не более) . . . 400 300 250 200

Указанные значения необходимо уменьшать при бурении мягких пород с пропластками более твердых или с включениями валунов и галечников.

Расход промывочной жидкости должен обеспечивать вынос частиц разрушенной породы на поверхность. Его определяют скоростью подъе­ма восходящего потока жидкости, которая зависит от размера частиц, их плотности и величины зазора между стенками скважины и буриль­ными трубами. При промывке водой скорость восходящего потока должна быть не менее 0,25 м/с, а при бурении с глинистым раство­ром ее снижают до 0,2 м/с. Тогда расход промывочной жидкости О определяют по формуле

0=РУВП, м3/с, (3.3)

где Г— площадь затрубного пространства, м3; Увп — скорость восходя­щего потока, м/с.

Расход промывочной жидкости (м3/с) находят также из рекомендуе­мого удельного расхода (л/мин) на 1 см диаметра коронки по формуле

()=КВ, л/мин, (3.4)

где А"—удельный расход промывочной жидкости на 1 см диаметра коронки, л/мин; В — наружный диаметр коронки, см.

Категория пород по буримости	Характеристика группы горных пород	Параметры режима бурения
Удельная нагрузка на режущий элемент, даН	Окружная скорость, м/с	Удельный расход жидкости (л/мин) на 1 см диаметра коронки
і	Рыхлые неоднородные	50-20	1,1—1,45	14-16
п	Рыхлые неоднородные вспучи­	60-30	0,7-1,45	12-14
	вающиеся
н	Однородные	100-50	1,1-2,0	12-16
IV	Неоднородные вспучивающиеся	150-100	0,7-1,45	12-14
V	Монолитные плотные:
	малоабразивные	50-40	1,1-2,0	14-16
	абразивные	40-30	0,7-1,45	12-16
	трещиноватые	80-60	0,7-1,2	7-11
VI	Монолитные малоабразивные:	70-60	1,1-1,8	8-12
	абразивные	60-40	0,7-1,45	8-10
	трещиноватые	100-80	0,7-1,2	7-10
VII	Монолитные малоабразивные:	100-80	0,7-1,6	10-12
	абразивные	80-60	0,7-1,2	10-14
	трещиноватые	120-100	0,7-1,2	8-10

Величину К определяют опытным путем (табл. 3.5).

Вид очистного агента выбирается в зависимости от устойчивости горных пород. В устойчивых породах V—VIII категорий по буримости применяют воду, а в условиях затрудненного водоснабжения — воз­дух, использование которого дает существенный прирост технико­экономических показателей бурения. В интервалах неустойчивых пород целесообразно применять глинистый раствор, а в особо осложненных условиях его обрабатывают химическими реагентами с целью регули­рования структурно-механических параметров.

В табл. 3.5. приведены рекомендуемые данные по выбору рацио­нальных режимов бурения твердосплавными коронками различных горных пород.

Комментарии запрещены.