7.2. Разработка технологии твердосплавного бурения

Разработку технологии твердосплавного бурения на­чинают с тщательного изучения анализа и описания геологотехнических условий. В описании указывают наличие пачек устойчивых и неустойчивых горных пород (от....до ...); дают характеристику отдельно-устойчивых и отдельно-неустойчивых пород (название пород, входящих в пачки, буримость, абразивность, трещиноватость).

При описании неустойчивых участков отмечают возможные осложнения (каверны, прихваты, потери промывочной жидкости) и причины, способные вызвать осложнения: естественную под воздействием горного давления дестабилизацию стенок скважин: раздельнозернистые дробленые породы, плывуны; искусственную дестабилизацию под воздействием промывочной жидкости: расщепление, растворение, размокание, размывание насыщение горных пород водой.

При наличии подземных вод рассматривают их состав, агрессивность, скорость циркуляции и пластовое давление, а также возможное влияние их на качество промывочной жидкости (коагуляцию, вязкость, СНС, водоотдачу).

Исходя из геолого-технических условий, намечают пути устранения возможной дестабилизации или разгерметизации сте­нок скважины и выбирают очистной агент, тип промывочной жидкости (крепящие, ингибирующие, вязкие, утяжеленные или облегченные растворы, растворы с наполнителями) или тампонажного раствора (табл. 6.1). Свой выбор необходимо тщательно обосновать.

Выбор очистных агентов является важнейшим элементом проектирования буровых работ, от которого зависит успешное сооружение скважин, производительность, себестоимость и каче­ство бурения.

При бурении устойчивых непроницаемых пород с большим успехом используют воздух, пену, воду, эмульсии, малоглинис­тые растворы.

Воздух является наиболее эффективным очистным аген­том, позволяющим резко (в 2-3 раза) повысить производитель­ность бурения. Его применяют в "сухих" скважинах, при отсут­ствии водопритоков при бурении как скальных, так и мерзлых пород. Преимущество воздуха как очистного агента в том, что малое аэростатическое давление и мгновенный вынос шлама с забоя способствуют резкому повышению механической скорости и производительности бурения (в 2-3 раза); отсутствие промы­вочной жидкости позволяет сокращать трудовые, материальные и денежные затраты на ее приготовление и обработку.

Пены (газожидкостные смеси) весьма эффективны при бу­рении устойчивых как монолитных, так и трещиноватых горных пород. Хорошие результаты они показывают и при бурении мерзлых пород. Достоинствами пены как чистого агента являют­ся низкое статическое давление, низкая теплопроводность, высо­кая закупоривающая способность; высокая несущая способность (в 7-8 раз выше способности воды).

Эмульсии обычно используют при алмазном бурении, но их с успехом можно использовать и при твердосплавном бурении глубоких скважин в устойчивых монолитных породах. Преиму­щества их в том, что они снижают вибрацию бурового снаряда, трение, износ бурильных труб и энергозатраты на их вращение, повышают механическую скорость бурения и качество опробо­вания.

Наиболее широкое применение при бурении устойчивых непроницаемых пород находит вода. Это самая дешевая промы­вочная жидкость, не требующая затрат на приготовление и обра­ботку, имеется в изобилии на всей территории России.

При бурении неустойчивых осложненных интервалов гео­логического разреза применяют более сложные промывочные жидкости (табл. 6.1). В таких условиях промывочные жидкости используют не только для выноса шлама и охлаждения коронки, но и для стабилизации и герметизации стенок скважин.

Эти промывочные жидкости обладают повышенной плот­ностью, вязкостью и статическим напряжением сдвигу, что зна­чительно снижает механическую скорость бурения, повышает расход энергии на бурение, затрудняет очистку раствора от шла­ма, повышает износ бурового снаряда и себестоимость погонного метра бурения, ухудшает условия труда рабочих.

Все это вынуждает (в зависимости от вида осложнений) подбирать не только эффективную и дешевую промывочную жидкость, но и действенные реагенты для улучшения качества бурового раствора (понизители вязкости, понизители водоотда­чи, флокулянты, наполнители и др.)

При выборе промывочных жидкостей нужно по возможно­сти избегать применения вязких, тяжелых, сложных и дорогих растворов, способных резко снизить механическую скорость бу­рения, а в то же время выбирать очистные агенты, способствую­щие повышению механической скорости. По устойчивым поро­дам это воздух, пены, эмульсии, по трещиноватым породам - пе­ны, полимерные, малоглинистые и аэрированные растворы.

При бурении неглубоких скважин сложные и дорогие рас­творы не применяют.

Выбор промывочной жидкости заканчивают составлением рецептуры и описанием технологических свойств.

Очистной агент желательно подбирать для бурения всей скважины или, по возможности, использовать не более 2-3-х видов.

Смену промывочной жидкости можно проводить только после закрепления неустойчивых стенок скважин обсадными трубами или тампонажными смесями.

После тщательного обоснования выбора промывочной жидкости для каждого пласта геологического разреза подбирают породоразрушающий

инструмент и определяют параметры тех­нологических режимов бурения в следующем порядке:

1) указывают интервал пласта (от ...до);

2) дают его характеристику (буримость, трещиноватость, абразивность, набухаемость);

3) выбирают тип и размеры породоразрушающих инстру­ментов;

4) рассчитывают параметры режимов бурения.

Выбор коронок и параметров режимов бурения проводят на основании описанных выше свойств горной породы. По мягким набухающим породам эффективны ребристые коронки (М5, Мб), по однородным малоабразивным осадочным и основным магматическим породам средней V-VII категории (аргиллиты, алевролиты, известняки, дуниты, серпентиниты, перидотиты) - резцовые коронки (СМ4, СМ5, СМ6, СТ2). При бурении абразив­ных, перемежающихся (по типам, абразивности и буримости), твердых (VII-IX категории) осадочных, магматических и метаморфических пород применяют самозаклинивающиеся и комби­нированные коронки (СА-5. СА-6. СА-4). При бурении трещино­ватых пород IV-VII категории наиболее производительны корон­ки СТ2 и СМ 6, СА-4.

Обобщенный опыт применения твердосплавных коронок позволяет установить их эффективность в зависимости от буримости горных пород (табл. 6.2).

По окончании выбора коронки следует рассчитать параметры режимов бурения. Осевую нагрузку на коронку определяют по формуле

С=mp, H, (6.2)

где m - число резцов в коронке; р - удельная нагрузка на резец. Ниже приведены (табл. 6.3) рекомендуемые СКБ ВПО «Союзгеотехника» значения удельной нагрузки на резец (для самозатачи­вающихся коронок на один штабик), кН, для бурения монолит­ных пород.

Для коронок с вертикально установленными резцами принимают минимальные значения нагрузки на коронки, с наклонными резцами - максимальные.

Таблица 6.2

Тип коронок Ø 93, мм	Показатели эффективности работы коронок для пород различных категорий
	V		VI		VII		VIII
	Механическая скорость, м/ч	Проходка за рейс, м	Механическая скорость, м/ч	Проходка за рейс, м	Механическая скорость, м/ч	Проходка за рейс, м	Механическая скорость, м/ч	Проходка за рейс, м
СМ5 СМ6 СМ4 СТ2 СА4 СА5, СА6	2,2 - 2,0 2,7 - -	5,7 - 4,8 6,1 - -	- 2,4 1,6 2,4 - -	- 4,6 4,0 5,7 - -	- 2,2 1,4 - 1,4 1,7	- 4,1 3,4 - 3,6 2,9	- - - - 1,2 1,3	- - - - 2,0 1,5

Таблица 6.3

Тип коронки	Категория пород по буримости
	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII
Ребристые Резцовые Самозатачивающиеся	0,4-0,5 - -	0,4-0,5 - -	0,5-0,6 - -	0,6-0,8 - -	- 0,6-0,8 -	- 0,8-1,0 1,2-1,6	- 1,0-1,2 1,4-1,6	- - 1,6-1,8

Для бурения трещиноватых и абразивных пород удельные нагрузки снижают, в зависимости от степени трещиноватости и абразивности, на 25-40%.

Частоту вращения коронки определяют по формуле

, об/мин, (6.3)

где V_o - окружная скорость коронки; Д₁ и Д₂ - наружный и внут­ренний диаметр коронки по резцам, м.

Окружную скорость коронки СКБ ВПО "Союзгеотехника " для монолитных пород рекомендуется принимать 1,0 - 1,2 м/с". Для абразивных и трещиноватых пород окружную скорость коронки необходимо снижать. Для мягких пород ее можно повышать до 1,5-2 м/с. ВИТР рекомендует для монолитных малоабра­зивных пород с промывкой эмульсиями повышать окружную скорость до 1,5-2 м/с.

Расход промывочной жидкости определяют по формуле

Q=q Д₁, л/мин, (6.3)

где q - удельный расход жидкости на один см диаметра коронки Удельные расходы жидкости, рекомендуемые СКБ, приведены в табл. 6.4.

Таблица 6.4

Категория по буримости	Удельный расход жидкости, л/мин, для различных коронок
	Ребристые	Резцовые	Самозатачивающиеся
I-IV V VI VII-VIII	12-16 - - -	- 12-16 8-12 6-8	- 8-14 8-12 6-8

Удельный расход промывочной жидкости определяют в зависимости от плотности шлама, буримости пород и вида промывочной жидкости. С увеличением вязкости раствора, невысокой плотности шлама, невысокой механической скорости бурения удельный расход жидкости принимают минимальным, с увеличением плотности шлама, механической скорости бурения и снижением вязкости раствора - максимальным.

Расход промывочной жидкости можно определять по фор муле

, (6.4)

где F - сечение затрубного пространства; d - диаметр бурильньи труб; V_n - скорость восходящего потока промывочной жидкости, для твердосплавного бурения коронками в зависимости от плотности шлама V_n принимают в пределах 0,25 - 0,5 м/с.

При бурении скважин с продувкой воздухом расход воздуха определяют по формуле

Q=kFV_n. (6.5)

где к - коэффициент неравномерности скорости потока, к = 1,1-1,3; V_n - скорость восходящего потока воздуха, для твердосплав­ного бурения коронками ее принимают в пределах 10-12 м/с.

При образовании сальников в воздушный поток вводят 0,5-4,5 %-й раствор пенообразователя (ОП-10; ОП-7; ОП-1, сульфонол "Некаль", "Прогресс" и др.).

При бескерновом бурении используют лопастные долота (табл. 6.5).

Таблица 6.5

Категория пород	Тип долот	Шифр, размеры
I-IV I-IV IV с прослойками V-VI	РХ М МС	РХ-76, РХ-93, РХ-112, РХ-132 3ДР-132М 7ДР-93МС, 14ДР-112МС, 6ДР-132МС

Осевую нагрузку на долото определяют по формуле

С= р_о Д, Н, (6.6)

где р_о - удельная нагрузка на 1 см диаметра долота. Для горных пород I-III категории буримости р₀ = 500-800 Н/см, III-IV катего­рии - 800-2000 Н/см, V-VII категории - 1500-2500 Н/см.

Частоту вращения долота определяют по формуле (6.2). В зависимости от мощности станка и прочности породы окружную скорость принимают в пределах 0,8-1,6 м/с.

Расход очистного агента при бурении долотами определя­ют по формулам (6.4) и (6.5).

Скорость восходящего потока промывочной жидкости при бескерновом бурении рекомендуется принимать в зависимости от буримости в пределах 0,5-1,0 м/с, а скорость восходящего потока веч духа V_n= 15-18 м/с.

После выбора параметров режимов бурения нужно прове­рить, чтобы выбранные параметры не выходили за рамки техни­ческих возможностей оборудования [ 1, с.282-294], [2, с.214-215].

За окончательный результат принимают ближайшее расчетному значение скорости выбранного бурового станка.