Глава 7. Технология твердосплавного бурения

Важной частью геологоразведочных работ, своевре­менного проведения исследований и качественного опробования геологического разреза является грамотная, тщательно проду­манная технология бурения. Специалисту нужно хорошо знать, в первую очередь, объективные факторы, влияющие на производи­тельность и качество опробования: изучить свойства перебуриваемых горных пород, и на основании этого уметь грамотно управлять субъективными факторами, в том числе регулировать параметры технологических режимов в процессе бурения.

Специалист должен уметь четко определять причины и следствия протекающих процессов, установить эффективность перехода количественных параметров технологических режимов бурения в качественные: механическую скорость бурения, выход керна и т.д

.

7.1. Технологические режимы бурения

П ри бурении скважин выделяют два основных процесса: процесс разрушения горных пород и процесс очистки скважины от разрушенной горной породы - процесс промывки. Каждый из технологических процессов (и процесс разрушения породы, и процесс промывки скважины) характеризуется сочетание параметров. В первом случае это осевая нагрузка и скорость вращения породоразрушающего инструмента, во втором - скорость циркуляции промывочной жидкости, ее расход и давление.

С

Рис. 6.1. График зависимости механиче­ской скорости бурения от осевого давле­ния: 1 - для песчаников; 2 - для алевролитов

овокупность параметров технологических процессов носит название технологических режимов бурения: режим бурения (разрушение горной породы), режим промывки.

Параметры режимов бурения и промывки выбирают в соответствии со свойствами горных пород.

Лабораторные исследования показывают, что механическая скорость бурения при благоприятных условиях (полная очистка забоя от шлама, достаточное охлаждение коронки) как при резании, так и при истирании породы прямопропорциональна осевой нагрузке (рис. 6.1). В производственных условиях создать такие условия невозможно. Даже в процессе бурения монолитных пород прямолинейная зависимость наблюдается только при относительно небольших нагрузках. При повышенных нагрузках происходит снижение темпа, а затем, при дальнейшем увеличении нагрузки, и снижение механической скорости бурения.

С

Рис. 6.2. График зависимости механической скорости бурения от числа оборотов: 1 - для малоабразивного песчаника VI

категории; 2 - для малоабразивного песчаника VIII категории; 3 - для абразивного песчаника VI категории; 4 - для абра­зивного песчаника VIII категории; 5 - для алевроли­тов; 6 - для мрамора

уществует много причин, вызывающих такое явление. Во-первых, под воздействием горного давления с глубиной возрастает твердость горной породы. Во-вторых, наличие длинного пере­даточного вала (бурильной колонны), при бурении вызывает вибрацию различной степени интенсивности. В третьих, недоста­точное охлаждение (охладить коронку до нужной температуры в скважинных условиях затруднительно) приводит к нагреванию коронки. В результате, температура резцов при повышенной осе­вой нагрузке и скорости вращения коронки (особенно при увели­чении площадки притупления резцов) возрастает выше критиче­ской, при которой происходят размягчение кобальта твердо­сплавных резцов и их износ.

Существуют и другие причины, выкрашивание резцов, зашламовка скважин. Зависимость механиче­ской скорости бурения от скорости вращения снаряда при благопри­ятных условиях может быть различной. При резании глубина вне­дрения резца с увеличе­нием, скорости (вслед­ствие увеличивающихся при этом инерционных сил сопротивления и уменьшения влияния поверхности забоя на усилие резания) снижа­ется (рис. 6.2). Механи­ческая скорость в этом случае прямо пропорциональна корню квад­ратному из числа обо­ротов:

, м/с, (6.1)

здесь К_n - коэффициент пропорциональности.

При истирании горной породы механическая скорость бу­рения прямо пропорциональна скорости вращения коронки.

Параметры режима промывки (скорость циркуляции и pacход жидкости) определяются плотностью породы и механической скоростью бурения. Чем выше плотность породы и механическая скорость, тем выше должны быть параметры промывки.

Недостаточно интенсивная промывка ведет к зашламовке скважины, снижению механической скорости бурения, интенсивному износу коронки и авариям.

Чрезвычайно высокие показатели параметров режима промывки создают чрезмерное гидравлическое давление на забое, приводящее к большому подпору, уплотнению породы забоя и к снижению механической скорости бурения.

Высокий скоростной напор в узких зазорах между буровым снарядом и стенками скважины приводит к размыванию неус­тойчивых стенок скважины и большим осложнениям.