Часть II алмазное и другие способы бурния

Глава 8. Алмазное бурение

8.1. Одинарный колонковый снаряд

Бурение твердых пород представляет собой процесс истирания. Применяемые для бурения твердые сплавы типа ВК использовать для бурения твердых пород невозможно. Нагрузки и скорости вращения, превышающие критические, приводят к интенсивному износу.

Из всех минералов алмаз обладает самой высокой прочно­стью на истирание, что позволяет использовать его в качестве истирающего материала в коронках для бурения твердых пород VII - XII категории.

Длина рейса алмазными коронками по средним и твердым породам достигает сотен метров. Частоту вращения при отсутст­вии вибрации можно увеличивать до величин исчисляемых тыся­чами оборотов в минуту. Все это способствует резкому повыше­нию производительности бурения. Алмазные зубчатые и резцо­вые коронки со значительной высотой резцов позволяют эффек­тивно бурить породы не только высокой, по и средней твердости (V- VII категории). Алмазное бурение становится универсальным.

Основными проблемами алмазного бурения являются: 1) ограниченное количество алмазного сырья, трудность его до­бычи, высокая стоимость;

2) высокая хрупкость якутских алмазов делает их чувствительными к вибрации бурового снаряда, в ре­зультате чего происходит выкрашивание алмазов и быстрый из нос коронок.

Буровой снаряд для алмазного бурения так же, как и для твердосплавного, состоит из бурильной колонны и забойного снаряда.

В процессе бурения бурильная колонна под действием осевой нагрузки и крутящего момента приобретает вид упругой спирали (пружины), подверженной различного рода колебаниям (поперечным, продольным, крутильным). При наложении собственных и вынужденных колебаний возникает вибрация снаряда. Высокая хрупкость алмаза при динамических ударах делает его кристаллы чувствительными к вибрации бурового снаряда. Вибрации приводят к выкрашиванию алмазов, самозакаливанию керна, осыпям и обвалам стенок скважин, затяжным авариям.

Алмазный породоразрушающий инструмент позволяет создавать частоту вращений, значительно превышающую частоту вращений при твердосплавном бурении и исчисляемую тысячами оборотов в минуту. Повышение частоты вращения снаряда увеличивает его износ и вибрацию. Поэтому к бурильной колонне предъявляются повышенные требования по износу, вибрации и расходу энергии, а именно:

1) зазор между бурильной колонной и стенками скважины должен быть минимальным, для каждого диаметра коронки должен быть свой оптимальный диаметр бурильных труб;

2) по всей длине бурильная колонна должна иметь посто­янный диаметр, т.е. применять следует бурильную колонну с ниппельными соединениями (СБТН);

3) бурильная колонна должна быть по возможности пря­молинейной (с кривизной не более 1 мм на 1 м) и сбалансиро­ванной (соосной);

4) поверхность бурильной колонны должна быть износо­стойкой, для этого наряду с обычными ниппельными соедине­ниями применяют стабилизирующие ниппеля и центраторы;

5) поверхность бурильной колонны должна иметь малый коэффициент трения, для чего используют специальные смазки и промывочные жидкости или бурильные трубы с малым коэф­фициентом трения, такие как ЛБТН.

Выполнение этих требований позволяет снижать изгиб, трение, износ, вибрацию и энергоемкость бурильной колонны.

По существу для алмазного бурения в настоящее вре­мя применяют те же компоновки бурильных труб, что и при твердосплавном бурении, но предпочтение отдают компонов­кам СБТН. Компоновки СБТМ предназначены для бурения скважин большого диаметра (76 мм и более), когда зазоры между бурильными трубами и стенками скважин велики.

Бурильная колонна СБТМ имеет соединения значительно больших размеров, чем СБТН, что при бурении скважин большого диаметра снижает деформацию, вибрацию и износ бурильных труб. При внедрении бурильных труб нового сортамента при бурении скважин диаметром 76 мм бурильная колонна СБТМ-50 будет заменяться на бурильную колонну СБТН-68 как на более эффективную.

Большое внимание при алмазном бурении (в отличие от твердосплавного) уделяют применению компоновок типа ЛБТН со стальными ниппелями тех же размеров, что и СБТН (ЛБТН-42, ЛБТН-54, ЛБТН-68).

Легкосплавные трубы имеют малую массу и малый коэффициент трения, поэтому их успешно используют при высоких частотах вращения на больших глубинах с малым расходом энергии. Их применение в этих условиях повышает производительность бурения до 25-30 %. Колонна ЛБТН имеет следующие конструктивные отличия от колонны СБТН: она имеет большую толщину стенки (7 - 9 мм); у ниппелей к ЛБТН стабилизирующие хвостовики выпол­нены на концах всех наружных резьб; соединение хвостовика с трубой обеспечивается без зазора.

Все это увеличивает прочность колонны. Для снижения из­носа и вибрации бурового снаряда при алмазном бурении нижние (4 - 6) бурильные трубы центрируют при помощи центраторов ЦС-1, устанавливаемых вместо ниппельных соединений.

Центратор ЦС-1 состоит из ниппеля (штока) и муфты, со­единенных между собой резьбой. Между ниппелем и муфтой ус­танавливают твердосплавный протектор. По мере износа протек­тор заменяют на новый.

Для стабилизации бурового снаряда при алмазном бурении глубоких скважин на средних частотах так же, как и при твердо­сплавном бурении, можно применять утяжеленные бурильные трубы УБТ-РПУ-73, УБТ-57, изготовленные из толстостенных труб. Однако при бурении твердых пород на высоких частотах используют УБТ не рекомендуется вследствие их частых поломок из-за больших инерционных нагрузок.

При алмазном бурении так же, как и при твердосплавном, применяют четыре компоновки забойных снарядов: одинарный колонковый снаряд с прямой (ОКС) и обратной (ОЭС) циркуляцией промывочной жидкости;

двойной колонковый снаряд с прямой (ТДВ, ТДН) и обрат­ной (ДЭС, ТДН-0) циркуляцией промывочной жидкости;

снаряд со съемным керноприемником (ССК);

снаряд бескернового бурения.

Отличительной особенностью всех компоновок забойных снарядов для алмазного бурения является наличие в нем приспособлений для снижения вибраций и износа (виброга­сителей и стабилизаторов), таких как переходники с наплавкой твердого сплава (центраторов), расширители, аммортизаторы и т.д.

Существенное влияние на износ бурового снаряда оказывает абразивный шлам, содержащийся в промывочной жидкости, поэтому очень важно в этом случае в состав забойного снаряда включать шламовые трубы закрытого типа.

Одинарный колонковый снаряд предназначен для бурения устойчивых горных пород с отбором керна. Типовой снаряд для алмазного бурения состоит из следующих элементов: трубного переходника; шламовой трубы (при бурении пород с большой плотностью); виброгасителя (забойного аммортизатора); колон­ковой трубы или нескольких труб, соединенных ниппелями; расширителя; кернорвателя; коронки.

В отличие от трубных переходников твердосплавного бурения переходники для алмазного бурения имеют на боковой поверхности наплавки твердого сплава (переходники-центраторы) или протекторы, армированные твердосплавными резцами (центрирующие переходники). Твердосплавные резцы и наплавки предназначены для уменьшения износа переходников, следовательно, для более надежной стабилизации снаряда и уменьшения его вибраций.

Часто (для предупреждения излива промывочной жидкости из бурового снаряда при спуске его в скважину) переходники-центраторы снабжают обратными клапанами (шариками). Такие переходники называют клапанными.

Размеры рассмотренных переходников соответствуют размерам переходников для твердосплавного бурения.

Для алмазного бурения применяют шламовые трубы в основном закрытого типа, состоящие из наружной трубы с окном и внутренней трубы для направления жидкости к забою.

Одной из особенностей бурового снаряда для алмазного бурения является наличие в нем виброгасителей (амортизаторов), ( рис. 8.1), предназначенных для гашения крутильных и продольных колебаний снаряда. Наиболее широкое рас­пространение получили амортизаторы ЗА-6 диаметром 76 мм и ЗА-7, диаметром 59 мм для гашения продольных колебаний. Виброгасители состоят из корпуса (который при помощи резьбы соединяют с одной стороны с переходником, а с другой - со шлицевой муфтой разъема) и трубки, с нижней стороны связанной резьбой со шлицевым валом, а верхней частью свободно установленной в переходнике. Между переходником и валом на трубке устанавливают тарельчатые пружины, которые выполняют роль амортизатора. Крутящий момент на шлицевой вал передается через переходник, корпус и шлицевую муфту. Для гашения крутильных колебаний в забойный снаряд включают амортизаторы АКТ, АКГМ.

Для одинарного колонкового снаряда применяют кольцевые кернорватели К-76, К-59, К-46. Кернорватель состоит из корпуса (который одним концом при помощи резьбы соединяют с колонковой трубой, или расширителем, а другой - с коронкой) и разрезанного пружинного кольца. Конструкция кернорвателя и принцип действия аналогичны рассмотренному выше кернорвателю твердосплавного бурения. Отличительной особенностью является то, что кольцо устанавливают не в корпусе, а в конусе коронки; торец корпуса является ограничителем хода кольца.

Часто корпус кернорвателя в снаряде отсутствует. Роль ог­раничителя в этом случае выполняет расширитель.

Расширители предназначены для калибровки скважин (доведения диаметра скважины до необходимого размера с целью предотвращения заклинки с последующей новой коронкой), а также для стабилизации снаряда с целью снижения его вибрации и износа. В настоящее время для одинарного колонкового снаряда выпускают расширители «секторного» типа РСА, РСА-СВ.

Расширитель РСА предназначен для калибровки скважин в малоабразивных и абразивных монолитных и трещиноватых породах и представляет собой стальной патрубок с наружной вверху и внутренней внизу резьбой с впаянными твердосплавными штабиками, армированными качественными алмазами зернистостью 20 - 30 зерен на карат. Количество штабиков в зависимости от диаметра может быть от 4 до 10. Твердость матрицы штабиков НРС составляет 25 - 30. Между штабиками выфрезерованы пазы для циркуляции промывочной жидкости. Диаметр расширителя должен быть больше диаметра коронки на 0,4 мм. Выпускают расширители диаметрами 33,4; 45,4; 59,4; 76,4 мм.

Рис. 8.1. Забойные амортизаторы: а-3А-6; б-3А-8: 1 - переходник; 2, 9 - сальниковые уплотнения; 3 - трубки; 4 - тарельчатые пружины; 5 - корпус; 6 - гайки; 7 - муфта; 8 - вал