Выбор способа бурения

Лопастные долота режущего типа, предназначенные для бурения  геологоразведочных скважин в мягких породах, в том числе с прослойками пород средней твердости, разрушают забой в режиме резания с очисткой забоя промывочным агентом или шнековым способом. Как правило, бурение в мягких породах ведется с использованием легкого бурового оборудования, поэтому применяются небольшие осевые нагрузки на долото и малые крутящие моменты.

Наиболее эффективно лопастными долотами типа М разбуриваются ленточные и пластичные глины средней плотности, суглинки, супеси, рыхлые мергели, гипсы, тальковые разрушенные сланцы многих разновидностей, глинистые бокситы и другие породы с аналогичными физико-механическими свойствами. Лопасти долот глубоко внедряются в забой и создают срез породы большой толщины. Поэтому за каждый оборот долота разрушается большой объем породы. Для выноса этого объема необходимо увеличить циркуляцию потока промывочной жидкости.

Удельная осевая нагрузка на долото типа М составляет 150—500 даН на каждый сантиметр диаметра долота: она увеличивается в зависимости от роста твердости буримых пород; при бурении мягких вязких пород осевую нагрузку следует уменьшать, чтобы предотвратить заклинивание долота на забое. Частота вращения лопастных долот типа М меняется в широких пределах и практически составляет 50—400 мин-1 в зависимости от мощности буровой установки.

Долота типа МС применяют  при бурении скважин в породах IV категории по буримости с пропластками пород средней твердости V и VI категорий. Наиболее эффективно этими долотами разбуриваются плотные песчаники, плотные глины с пропластками галечника и щебенки, алевролиты, сланцы, валунно-галечные отложения. Эффективная работа достигается за счет увеличения осевой нагрузки, частоты вращения бурового вала и интенсивности очистки забоя от шлама. Поэтому при бурении скважины должен обеспечиваться оптимальный режим для каждого размера долота. В зависимости от диаметра долота осевая нагрузка может колебаться в пределах от 200 до 600 даН на каждый сантиметр диаметра долота с изменением твердости проходимых пород и глубины скважины.

Частота вращения обычно выбирается с учетом мощности бурового оборудования и прочности бурового вала, чтобы обеспечивать интенсивное вращение долота при проходке самых вязких пород. Обычно при бурении вязких глин и глинистых сланцев, когда необходим большой крутящий момент, частота вращения снижается до минимума; при бурении сыпучих пород типа галечников и щебенки частота вращения увеличивается. При бурении песчаников частота вращения может быть максимальной, так как в этом случае сопротивление породы вращению долота будет незначительным.

Особенно осторожно  следует вести бурение при  проходке липких вязких пород, когда  происходит налипание породы на долото и начинают образовываться сальники. При этом необходимо снизить до минимума осевую нагрузку и частоту вращения и увеличить циркуляцию промывочной жидкости. Если при этом сальник породы не размывается, то следует поднять бурильную колонну на высоту 5—6 м и провести расходку снаряда.

Рекомендуемые соотношения параметров режима для различных типоразмеров долот бескернового бурения приведены в табл. 9 и 10.

 

 

 

Таблица 9

  Реомендации по удельным значениям параметров режима бурения

Тип долота	Категории пород по буримости
	I – II	III	IV – V		VI – VII	VIII – IX (X – XI)
1. Удельные нагрузки на 1 см диаметра долота, кН
2-лопастные	0,6 – 0,7	0,60 – 0,75	–		–	–
3-лопастные	0,7 – 0,8	0,80 – 0,90	0,75 – 0,95		–	–
Истирающие и крупного скола	–	–	1,0 – 1,15		1,15 – 1,30	–
2- и 3-шарошечные типа:   М	2,0	2,0	–		–	–
C	–	–	2,0 – 2,1		2,1 – 2,3	–
CT	–	–	–		2,3 – 2,4	–
T	–	–	–		2,4 – 2,5	2,50 – 2,75
TK	–	–	–		–	2,75 – 3,00
K	–	–	–		–	3,0 – 3,5 (3,5 – 4,0)
2. Окружные скорости вращения долота,  мин-1
2-лопастные	0,8 – 1,2	1,0 – 2,0	–	–		–
3-лопастные	0,8 – 1,2	1,0 – 1,6	0,6 – 1,2	–		–
Истирающе-режущие и крупного скола	–	0,8 – 1,4	0,6 – 1,2	0,5 – 1,0		–
Трехшарошечные типа:  М	0,8 – 1,2	1,2 – 1,4	1,0 – 1,4	0,8 – 1,2		–
С и СТ	–	–	1,0 – 1,4	0,8 – 1,2		–
Т и ТК	–	–	–	–		0,6 – 1,0
К	–	–	–	–		0,6 – 0,8 (0,6 – 0,8)

 

Таблица 10

Рекомендуемые значения расхода промывочной жидкости, л/мин

Примечания. 1. Скорость потока в затрубном  пространстве для пород I—VII категории должна составлять 0,6 м/с (глинистый раствор); для пород VIII—XII категории — 0,4 м/с (техническая вода): 2. Тип соединения бурильных труб: ниппельные или замковые 3-42 для долот диаметром 59 мм; замковые для остальных диаметров.

 

Общие закономерности зависимости  результатов бурения от параметров режима выглядят следующим образом. С ростом осевой нагрузки до определенного значения увеличиваются проходка на долото и механическая скорость. Частота вращения долота влияет в основном на механическую скорость и почти не влияет на ресурс всех типов долот, если нагрузка на них поддерживается в требуемых пределах.

При бурении мягких и  средней твердости пород механическая скорость пропорциональна расходу жидкости, подаваемой на забой скважины в пределах 100—300 л/мин. Это связано с тем, что размеры частиц шлама достигают 8—10 мм (породы VI категории по буримости), а объем выбуренной породы по сравнению с колонковым способом (при одинаковых диаметрах бурения) увеличивается. Так, при бурении долотом диаметром 92 мм в породах V категории объем выбуренной породы возрастает в 5 раз, а в породах VII категории — в 3,7 раза.

Вынос крупного шлама  эффективнее обеспечивается при промывке скважины глинистым раствором.

Рекомендуемые режимы бурения  шарошечными долотами геолого-разведочных скважин приведены в табл. 11. Минимальные осевые нагрузки и максимальные частоты вращения, указанные в таблице, следует применять при бурении менее твердых пород, максимальные нагрузки и минимальные частоты вращения — для более твердых пород. При бурении сильнотрещиноватых пород рекомендуется применять минимальную частоту вращения снаряда и снижать осевую нагрузку на долото на 30—40% по сравнению с бурением аналогичных монолитных пород.

В абразивных породах  следует применять более низкие частоты вращения, чем в малоабразивных, при бурении абразивных пород  окружная скорость не должна превышать 1 м/с; в малоабразивных принимается  в пределах 1—2 м/с.

Для эффективной очистки  скважины скорость восходящего потока промывочной жидкости должна быть в твердых породах не менее 0,4 и в мягких — 0,8 м/с. Уменьшение расхода жидкости приводит к повышенному износу долот и снижению скорости бурения.

Для создания оптимальных  нагрузок при шарошечном бурении  рекомендуется применять бурильные трубы максимально возможного диаметра.

При увеличении кривизны скважины более 5° на 100 м необходимо уменьшать осевую нагрузку на 30—50% от нормальной до прекращения искривления.

Забуривание скважины долотами проводится при осевой нагрузке 10—20% от рекомендуемой, а разбуривание ствола — при нагрузке не более чем 30% от рекомендуемой  и при частоте не выше 150 мин

Каждое новое долото должно быть приработано на забое в течение 10— 15 мин при минимальной частоте вращения и осевой нагрузке, составляющей 10—20% от оптимальной; долото при этом должно углубиться не менее, чем на 0,5 его диаметра. После приработки осевая нагрузка быстро, но плавно доводится до оптимальной при обязательном вращении долота [8].

 

 

 

 

Таблица 11

Рекомендуемые режимы бурения шарошечными  долотами геологоразведочных- скважин (по В. С. Травкину и др.)

 

Критерии отработки долот. Основные признаки, указывающие на необходимость подъема долота. 1) резкое снижение механической скорости бурения или полное прекращение углубки; причина: заклинивание опор шарошек или полный износ долота; 2) устойчивое снижение скорости бурения по однородным породам; причина: износ вооружения шарошек.

          Критерии снятия шарошечных долот с эксплуатации: 1) износ твердосплавных зубков более чем на 80%; 2) износ зубьев шарошек на 2/3 их высоты; 3) скол и выпадение более 10—20% твердосплавных зубков; 4) люфт шарошек достигает для долот:  59 и 76 мм — более 4 мм, 0 93 мм — более 5 мм, 0 112 и 132 мм — более 6 мм, 0 151 мм — более 7 мм; 5) полный износ вершин шарошек; 6) износ долота по диаметру более 3 мм.

Критериями снятия с  эксплуатации дисковых и лопастных  долот являются предельные значения износа, влияющие на снижение механической скорости бурения (табл. 12).

При бурении шарошечными  долотами может наблюдаться повышенное искривление скважин, возрастающее с ростом осевой нагрузки и диаметра долота. Основным средством уменьшения искривления является применение жестких буровых компоновок, включающих: 1) утяжеленные бурильные трубы весом на 20—30% больше осевой нагрузки; 2) центрирующие фонари диаметром, равным диаметру колонковой трубы для конкретного типоразмера породоразрушающего инструмента; 3) трубы из ниппельной заготовки и направляющие фонари (для долот диаметром 59 и 76 мм); 4) направляющий снаряд из труб прежнего и последующего диаметра (при переходе на меньший диаметр бурения).

Наиболее характерным  видом аварий, связанных с применением  шарошечных долот, является оставление на забое скважины частей и осколков поломанных шарошек. Извлечение крупных частиц проводится накрытием их и забуриванием в забой на 30—50 см колонковым снарядом с твердосплавной коронкой; расколотые шарошки, шарики подшипников, твердосплавные зубки и штыри поднимаются в этом случае вместе с керном. Мелкие металлические частицы извлекают с помощью магнитной ловушки типа Л СМ (ВИТР) [8].

Таблица 12

Значения износа дисковых и лопастных  долот, вызывающие снижение механической скорости

 

11.1. Породоразрушающий инструмент для бескернового бурения

Породоразрушающий инструмент для бескернового бурения геологоразведочных скважин по характеру воздействия на породу разделяется на:

—           долота ударно-дробящего действия;

—          долота дробяще-скалывающего действия;

—           долота режуще-истирающего действия.

К первой группе относятся двух- и  трехшарошечные долота; разрушение породы такими долотами происходит за счет перекатывания  зубьев шарошек по забою с нанесением ударов.

Ко второй группе относятся дисковые долота; они разрушают породу дроблением и скалыванием за счет ударного и скалывающего воздействия зубьев на забой.

К третьей группе относятся лопастные  долота, алмазные, и инструмент, армированный синтетическими и сверхтвердыми материалами; они используются для бурения пластичных горных пород: разрушение породы происходит за счет срезания тонкого слоя при внедрении в нее резцов.

Специальные долота используются при гидроударном бурении, шнековом бурении, с продувкой забоя воздухом, при бурении шпуров, при направленном бурении и т.д. Эти долота имеют свои конструктивные особенности, вызванные спецификой разрушения забоя [8].                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        

 

 

 

11.1.1. Шарошечные долота

Шарошечные долота представляют собой наиболее универсальный породоразрушающий инструмент, поскольку область их применения охватывает практически все многообразие горных пород: от очень мягких до весьма твердых.

Разработанный в последние годы ассортимент шарошечных долот по своим типоразмерам способен удовлетворить  самые широкие запросы потребителей. В частности, впервые в мировой  практике разработаны шарошечные микродолота диаметром 46 и 59 мм. Для повышения ресурса долот в их конструкции используются опоры скольжения и вооружение шарошек твердосплавными зубками. Для наиболее тяжелых условий эксплуатации разработаны долота с элементами герметизации опор.