3.2. Буровой забойный инструмент
При колонковом бурении выбуривается керн, столбик породы, которой необходимо оторвать с забоя и поднять на поверхность. С этой целью применяется буровой снаряд (рис. 3.4, а), состоящий из следующих частей: коронки 1, рвательного корпуса 2 с рвательной пружиной-кольцом 3 для отрыва керна, колонковой трубы 4 для приема выбуриваемого керна и стабилизации направления (траектории) скважины; переходника 5 с колонковой трубы на штанги 6.
Коронка или корончатое кольцо представляет собой пустотелый стальной цилиндр, имеющий на верхнем конце наружную нарезку под рвательный корпус или под колонковую трубу; в нижнюю торцевую плоскость коронки вставляются алмазы или резцы из твердых сплавов; высота коронки 50 мм, толщина стенки 6,5 мм, наружный диаметр корончатых колец по стандарту 44,5; 58,5; 75; 91; 110; 130; 150 мм.
Рис. 3.4. Колонковые снаряды [1]
а – для бурения алмазами: 1 – коронка, 2 – рвательный корпус, 3 – рвательная пружина,4 – колонковая труба, 5 – переходник, 6 – штанга;
б – для дробового бурения:1 – дробовая коронка; 2 – колонковая труба; 3 – тройной переходник; 4 – шламовая труба; 5 – штанга
Рвательный корпус в нижней части имеет расширенную кверху конусную расточку. В этой расточке находится рвательная пружина. Роль рвательного корпуса сводится к удержанию на месте пружины, чтобы она не поднималась кверху вместе с керном; для этой цели верхнее отверстие в рвательном корпусе имеет меньший диаметр по сравнению с наружным диаметром пружины.
Рвательная пружина представляет собой разрезанное по образующей коническое пружинное кольцо с внутренними выступами, которые можно рассматривать как клинья. При бурении эти клинья-выступы слегка касаются керна, но как только снаряд будет подниматься кверху, они заклинят керн в конусе коронки. Рвательный корпус с установленной в нем рвательной пружиной (в сборе) называют кернорвателем (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Кернорватели [13]
Колонковая труба изготавливается из цельнотянутых труб с толщиной стенок 3,5–5 мм; длина колонковых труб – 1,5; 3,0; 4,5 м и более; диаметр на 1–4 мм меньше наружного диаметра коронки. Колонковая труба имеет на нижнем и верхнем концах внутреннюю ленточную резьбу.
Колонковый снаряд для дробового бурения (рис. 3.4, б) несколько отличается от вышеописанного – дробовая коронка 1; колонковая труба 2; тройной переходник 3 с колонковой трубы на штанги 5 и на шламовую трубу 4.
Дробовая коронка1 представляет собой патрубок с резьбой на верхнем конце под колонковую трубу и внутренней конусной расточкой для заклинки керна; внизу коронка имеет вырез (часто называемый магазином) размерами: длина 12–15 см, ширина вверху 2 см, внизу до 1/4 и даже 1/3 средней окружности торца коронки. Задняя часть выреза имеет дугообразную форму для облегчения попадания дроби под торец коронки.
Шламовая труба представляет собой патрубок, навинчиваемый нижней левой резьбой на переходник; верхний конец открыт; внутри шламовой трубы проходят штанги.
При дробовом бурении, поскольку дробь не закреплена в коронке, нельзя давать большую промывку, чтобы не вымывать дробь с забоя. В небольшом кольцевом зазоре между колонковой трубой и стенками скважины скорость восходящего потока жидкости подбирается для подъема частиц породного и дробового шлама; но при выходе жидкости в большой кольцевой зазор между стенками скважины и стенками штанг скорость восходящего потока падает во столько раз, во сколько раз увеличилось кольцевое сечение. Падает и несущая способность струи, поэтому крупный шлам не может быть вынесен на поверхность, он сосредоточивается у переходника с колонковой трубы. Если бы не было шламовой трубы, куда оседает шлам, то такое скопление могло бы привести к зашламованию и прихвату колонкового снаряда, т. е. к аварии.
Диаметр шламовых труб совпадает с диаметром сопряженных колонковых труб; длина: 1,0; 2,0; 3,0 м.
Двойные колонковые трубы служат для улучшения выхода керна легко разрушающихся пород при алмазном и твердосплавном бурении. Двойная колонковая труба состоит из наружной трубы, к которой привинчивается коронка, и внутренней, в которую входит керн. Внутренняя труба изолирует слабоустойчивый керн от механического воздействия промывочной жидкости, направляющейся в зазор между трубами, и от вибраций колонкового снаряда. При вхождении в нее керна она прекращает вращаться и является защитным футляром для керна. Для выхода жидкости из трубы, заполняемой керном, служит клапан. Для срыва керна служит кернорватель, оснащенный кольцевой пружиной, захватывающий крепко керн при подъеме бурового инструмента на поверхность.
Для взятия керна в слабоустойчивых породах существует большое количество различных систем двойных колонковых труб.
В наборе буровых инструментов имеются боковые грунтоносы различных систем (пружинные, гидравлические, стреляющие) для взятия образцов пород со стенок скважины, т. е. из уже пробуренной скважины.
Для свинчивания колонкового снаряда применяются шарнирные и дуговые ключи.
При бурении не всегда требуется получение керна из верхних мягких пород; тогда в целях повышения производительности за счет уменьшения спуско-подъемных операций (не нужно поднимать керн, а можно бурить до затупленияпородоразрушающего инструмента, т. е. 25–40 м и более на один рейс вместо 1,0–2,0 м) применяют лопастные долота, шарошечные долота для сплошного бурения или пикобуры.
Буровые штанги являются самым ответственным звеном в оборудовании. Штанги передают вращение коронке; они передают нагрузку на забой, подводят промывочную жидкость к забою. Поэтому штанги изготавливаются из стали высокого качества с высоким пределом прочности (от 60 до 80 кг/мм2).
Диаметры штанг для колонкового бурения 33,5; 42; 50; 63,5; 73 мм; толщина стенок труб для штанг 4,5–6,5 мм; длина штанг 1,5; 3,0; 4,5; 6 м.
Концы труб, из которых изготовляются штанги, перед нарезкой высаживаются обычно внутрь, чтобы не было ослабления в резьбе. Соединяются штанги ниппелями или муфтами. Свечи муфтовых штанг соединяются штанговыми замками, а ниппельных штанг – двухпрорезными ниппелями и замками. Преимущества замкового соединения штанг заключается в следующем:
1) Удлиняется срок службы резьбовых соединений штанг, т. к. при спуско-подъемных операциях резьбы штанг не участвуют в свинчивании и развинчивании.
2) Сокращается время на спуско-подъемные операции за счет более легкого и быстрого свинчивания конусной резьбы замка; при этом соединении достаточно сделать 2–3 оборота, чтобы резьба стала на место, тогда как при цилиндрической ленточной резьбе нужно сделать столько оборотов, сколько ниток в резьбе. Ускоряется свинчивание и развинчивание за счет применения простых и безотказных в работе ключей (крюкообразных), элеватора и подкладной вилки.
3) Удлиняется срок службы штанг, т. к. они замками и муфтами защищаются от истирания о стенки скважины.
4) Обеспечивается применение насосов с большей производительностью за счет большего проходного отверстия в замках по сравнению с ниппельным соединением, что способствует ускорению проходки скважин в мягких породах.
Указанные причины объясняют широкое внедрение муфтово-замковых соединений штанг в практику. В частности, замковое соединение ускоряет спуско-подъемные операции на 25–30 % по сравнению с ниппельными.