7.3. Особенности бурения скважин при использовании в качестве очистных агентов пен и воздуха

В качестве очистных агентов, в том числе при алмазном бурении, возможно применение газожидкостных смесей (ГЖС) – пен и воздуха.

Пены имеют свои специфические качества, которые делают их привлекательными для использования. Это очень низкая плотность, повышенная, по сравнению с водой, выносная способность и высокие смазывающие качества.

Низкая плотность пен обеспечивает низкое гидростатическое давление столба очистного агента на забой, поэтому при бурении с использованием пены в качестве очистного агента снижается до минимальных значений и угнетающее давление, т.к. гидравлические сопротивления при прокачивании пены будут менее значительны, в сравнении с водным раствором.

В результате отмеченных преимуществ при прокачивании пены через ствол буримой скважины происходит эффективное удаление осколков с забоя и практически исключается повторное их измельчение, а объем лунок разрушения возрастает. Эффективная очистка забоя от осколков породы и более активное породоразрушающее действие бурового инструмента приводят, как правило, к значительному росту механической скорости бурения и ресурса бурового инструмента. Например, по данным из работы [7], при бурении в условиях ПГО «Севзапгеология» рост механической скорости алмазного бурения составил до 50%, а ресурс коронок увеличился в 1,5-2,0 раза по сравнению с бурением с промывкой водой.

Одним из важнейших качеств пен является их демпфирующая, колебания бурового снаряда, способность, а также высокие характеристики по снижению коэффициента трения между колонной и стенками скважины.

В результате существенно более благоприятным для разрушения горных пород и процесса кернообразования становится режим работы бурильной колонны и коронки. В данном случае режим максимально соответствует параметрам равномерного вращения.

Таким образом, применение пен позволит существенно влиять на процессы разрушения горных пород, интенсифицировать их, что отражается в росте основных показателей – механической скорости бурения и стойкости инструмента.

В то же время пены являются низкотеплоемкими и низкотеплопроводными веществами, что предполагает сложности в поддержании нормального теплового режима работы бурового инструмента и, прежде всего, алмазного. Поэтому бурение с применением в качестве очистного агента пен требует соблюдения более щадящих режимов бурения. Параметры режима бурения определяются по предельно допустимым значениям забойной мощности (формула 5.61), которые по абсолютному уровню должны быть ниже, чем при бурении с промывкой водой.

Например, в работе [7] приведена методика расчета забойной мощности при бурении с пенами и указаны рекомендуемые ее значения: для однослойных коронок диаметром 59 мм с массой алмазов 6 карат – не более 15,6 кВт, для импрегнированных коронок с массой алмазов 12 карат в пять слоев – 13,7 кВт. При этом забойная мощность может изменяться в зависимости от количества подаваемого пенообразующего раствора.

Понижение приводной мощности при алмазном бурении связывают со снижением частоты вращения (формула 5.70). Особенно значительно снижается частота вращения при бурении трещиноватых и самых твердых горных пород, режим разрушения которых характеризуется экстремальными условиями по динамичности и тепловому балансу.

В табл.7.1 приведены данные о параметрах режима бурения и показателях забойной мощности [7].

Таблица 7.1

Рекомендации по частотам вращения снаряда при бурении алмазными коронками с пенами

Твердость породы, МПа	Категория пород по буримости	Зернистость объемных алмазов, шт./карат	Марка коронки	Расход раствора пенообразователя, л/мин
				10		20
				Nпр, кВт	ω, мин^-1	Nпр, кВт	ω, мин^-1
2250	VI-VII	10÷20	04А3-59 04А3-76	18,6 18,4	400-1000 350-900	22,0 21,7	400-1200 350-1000
4000	VIII-IX	20÷30	05А3-59 05А3-76	12,2 16,0	300-850 250-850	14,0 17,2	300-950 250-950
		40÷50	05А3-59 05А3-76	9,0 11,1	200-1100 150-1050	10,3 12,2	200-1250 150-1150
5500	IX-XI	120÷150	02И3-59 02И3-76	5,5 7,3	450-500 400-450	6,0 7,9	450-500 400-500
		150÷400	02И3-59 02И3-76	8,5 11,8	500-550 450-500	9,7 12,7	500-550 450-500
7000	XI-XII	150÷400	02И3-59 02И3-76	8,5 11,8	500-550 450-500	9,7 12,7	500-550 450-500
		400÷800	ИМВ4-59 ИМВ4-76	21,2 33,6	750-1000 700-1000	24,0 35,5	750-1150 700-1100

При бурении шарошечными долотами и твердосплавными коронками, а также при применении пен для бурения в режиме ударно-вращательного бурения особых ограничений параметров режима бурения не требуется. В то же время при вращательном бурении достигается рост механической скорости и ресурса инструмента в силу отмеченных выше причин, а при ударно-вращательном бурении пневмоударниками происходит некоторое снижение скорости бурения вследствие понижения ударной мощности забойных машин в сравнении с показателями бурения с продувкой воздухом.

Сжатый воздух, используемый в качестве очистного агента, обладает также рядом достоинств, которые аналогичны достоинствам пен: отсутствие гидростатического давления на забой скважины, высокая выносная способность воздушного потока. Эти особенности обеспечивают значительный рост механической скорости бурения в конкретных горно-геологических условиях, по сравнению с бурением с промывкой водными растворами.

Однако сжатый воздух как очистной агент имеет низкую теплопроводность, что существенно затрудняет отвод тепла от породоразрушающего инструмента. Данное обстоятельство имеет, безусловно, особое значение для алмазного бурения.

В силу малых значений предельно допустимой забойной мощности при бурении с продувкой сжатым воздухом частоты вращения бурового снаряда должны быть существенно снижены: для коронок диаметром 59 мм до значений 150-300 мин^-1; для коронок диаметром 76 мм – 100-200 мин^-1 [7].

При пониженных частотах вращения бурового снаряда механические скорости алмазного бурения с продувкой в породах VI-X категорий по буримости из-за минимального гидростатического давления и эффективной очистки забоя сопоставимы со значениями механической скорости бурения в случае промывки скважины водными растворами.

Для повышения теплопроводности воздушного потока, используемого как очистной агент, рекомендуется вводить в него добавки жидких и твердых высокотеплопроводных веществ. Из жидких наиболее целесообразно использовать растворы пенообразователей, т.е. переходить на применение пены. Из твердых наполнителей заслуживает внимания применение тонкоизмельченного графита [7].

Особенно эффективно применение воздуха при бурении скважин режущим, режуще-скалывающим и дробяще-скалывающим инструментами в мерзлых горных породах, а также во льдах (бурение исследовательских скважин во льдах Антарктиды).

При бурении с продувкой также эффективны системы интенсификации удаления продуктов разрушения, аналогичные представленной на рис.7.9.

При бурении по многолетнемерзлым осадочным породам с целью сохранения стенок скважины, породы на забое и образующихся осколков породы на забое в мерзлом состоянии, легко поддающемся скалыванию и дроблению, подаваемый в скважину сжатый воздух следует осушать и охлаждать. В противном случае будет происходить таяние породы и увеличение ее пластических свойств, а осколки породы, отделенные от забоя при его разрушении и подтаявшие под воздействием теплого воздуха, будут создавать значительные проблемы при бурении, налипая на буровой инструмент, его вооружение, забой и стенки скважины. В этом случае эффективность бурения, особенно долотами дробящее-скалывающего действия, будет крайне низкой [32].

• Контрольные вопросы к главе 7

1. Назовите основные причины разрушения керна при различных способах бурения.

2. В чем причины повышенной разрушаемости керна при бурении слоистых горных пород?

3. Какова роль поперечных и продольных колебаний при формировании керна?

4. Как проявляется количество подаваемого агента на скорости разрушения горных пород?

5. Как возникает угнетающее давление, влияющее на процессы разрушения породы и удаления продуктов разрушения из скважины?

6. Какие известны способы снижения угнетающего давления при бурении?

7. Каковы особенности бурения скважин с применением в качестве очистного агента пен и воздуха?