Глава 13. Бескерновое бурение шарошечными долотами

Одним из перспективных способов бурения является буре­ние шарошечными долотами. Этот способ широко используют как при разведке жидких и газообразных, так и твердых полезных ископаемых. В разведочном бурении на твердые полезные ископаемые он занимает третье место после твердосплавного и алмазного и составляет 25 % раз­ведочного механического бурения.

Шарошечные долота предназначены для бурения практически всех горных пород от I до XII категории по буримости.

В отличие от твердосплавного и алмазного бурения, которые применяют для бурения горных пород преимущественно с отбором кер­на, шарошечное бурение используют в основном для бурения горных пород бет отбора керна и в хорошо изученных разрезах, на участках, где нет необходимости отбирать керн, например, при детальной разведке ме­сторождений полезных ископаемых.

Широкому распространению шарошечного бурения способству­ют специфические особенности породоразрушающего инструмента, имеющего следующие преимущества:

1. Вследствие незначительного крутящего момента в процессе бурения, обусловленного малым трением в подшипниках при перекатывании шарошек, затраты мощности на бурение шарошечными долотами малы.

2. Количество зубков (или штабиков), одновременно участвую­щих в разрушении (дроблении) горной породы мало, что обеспечивает высокие удельные усилия на зубок и высокую механическую скорость бурения.

3. При перекатывании шарошек по забою возникают дополни­тельные .ударные нагрузки, повышающие эффективность разрушения горной породы.

4. Большое количество зубков на периферийных конусах шаро­шек снижает износ долот и способствует хорошей калибровке скважины.

5. Значительное количество поочередно действующих зубков ша­рошки, кратковременность их действия способствует значительному повышению ресурса долота и длины рейса, а следовательно, и произво­дительности бурения.

13.1. Буровой снаряд. Буровые долота

Буровой снаряд состоит из бурильной колонны и забойно го снаряда.

…………………………………………………………………………………

Бурильная колонна

Бурильную колонну собирают из бурильных труб тех же разме­ров, что и для твердосплавного бурения; ее можно применять как с муфтово-замковыми соединениями (для скважин. большого диаметра, более 76 мм), так и с ниппельными соединениями (для скважин малого диаметра). В бурильную колонну для шарошечного бурения глубоких скважин необходимо включать утяжеленные бурильные трубы, значи­тельно снижающие искривление скважин.

Хорошие результаты показывает использование в качестве бу­рильной колонны шарошечного бурения - бурильной колонны КССК-76. Опыт Норильской ГРЭ дает возможность оценить достоинства буриль­ной колонны КССК-76:

- резко снижаются затраты энергии на трение снаряда;

- снижается вибрация снаряда;

- повышается скорость вращения снаряда;

- большая жесткость снаряда позволяет повышать осевую нагрузку на долото. Все это в конечном счете повышает производительность бурения.

Забойный снаряд

Забойный снаряд для шарошечного бурения может иметь две компоновки: снаряд бескернового бурения и колонковый снаряд.

Компоновка забойного шарошечного снаряда для бескернового бурения проста. Снаряд, как правило, состоит из следующих элементов: направляющей трубы (или шламовой трубы); расширителя (калибрато­ра); шарошечного долота.

Направляющая труба предназначена для направления ствола скважины и предупреждения ее искривления. Она представляет собой толстостенную трубу с внутренней упрочненной резьбой с двумя пере­ходниками: для соединения с колонной УБТ и соединения с расширите­лем (или долотом при отсутствии расширителя).

Вместо направляющей трубы в компоновку снаряда можно включить шламовую трубу закрытого типа, конструктивно аналогич­ную направляющей трубе, отличающуюся тем, что внутри ее дополни­тельно установлена водопроводящая трубка, соединенная резьбой с нижним и верхним переходниками. Кроме того, в верхней части трубы прорезаны щели для прохода шлама в трубу.

Для разведочного шарошечного бурения в настоящее время вы­пускают расширители кольцевого и секционного типов. Расширитель кольцевого типа (рис. 13.1) состоит из пустотелого корпуса, имеющего снизу крупную конусную резьбу для соединения с долотом и верхнюю цилиндрическую (ниппельную) резьбу для соединения с переходником. На корпус при помощи эксцентриковых втулок 2 устанавливают экс­центриковые кольцевые шарошки 3, максимальные радиусы эксцентри­ков развернуты друг относительно друга на 120°. Кольцевые шарошки имеют вооружение из твердосплавных цилиндрических зубков со сфе­рической рабочей поверхностью (расположенных в шахматном порядке).

Рис. 13.1. Расширитель-калибратор кольцевого типа

Рис. 13.2 Расширитель секционного типа

Расширитель (РЗШС) секционного типа (рис. 13.2) состоит из трех сваренных друг с другом секций. Все секции имеют эксцентрично расположенные промывочные каналы, связанные друг с другом ворон­ кообразными камерами. На каждой секции расположено по одной ша­рошке 3, которая цапфами вставлена в отверстия вкладыша 2 и 4, закре­пленного в пазу секции штифтами. Шарошки друг относительно друга повернуты на 120°. Секции изготавливают из стали 40Х, вкладыши - из стали 14ХНЗМА, шарошки - из стали 15НЗМА.

Шарошечные долота бескернового бурения являются породоразрушающим инструментом и представляют собой жесткую не­разъемную конструкцию, состоящую из сваренных между собой секций (лап), на цапфах которых с помощью подшипников установлены ша­рошки. Сваренные между собой лапы образуют корпус долота. В верх­ней части корпуса долото имеет крупную конусную (реже цилиндриче­скую) резьбу для соединения с расширителем. Корпус долота изготав­ливают из стали 14Х2НЗМА, шарошки - из стали 17НЗМА.

Для разведочного бурения выпускают двухшарошечные и трех-шарошечные долота. Двухшарошечные долота получили наибольшее распространение для бурения скважин глубиной до 1 200 м. По сравне­нию с трехшарошечными долотами они имеют некоторые преимущества:

меньшее количество зубков (позволяет создать на один зубок при одинаковой осевой нагрузке большие удельные нагрузки и добиться бо­лее высокой механической скорости бурения);

больший диаметр шарошки (дает возможность увеличить шаг между зубками, в результате чего повышается интенсивность ударов зубков по забою и эффективность бурения, кроме того увеличенные размеры шарошек позволяют использовать опоры увеличенных размеров);

более простая конструкция долот и меньшая стоимость.

К недостаткам двухшарошечных долот можно отнести:

слабое калибрирующее вооружение (приводит к более быстрому износу долот по диаметру); недостаточную устойчивость на забое (увеличивает искривление скважин, поэтому при бурении необходимо предусматривать специаль­ные направляющие приспособления).

В процессе бурения наиболее уязвимым элементом в шарошеч­ном долоте является его опора (совокупность цапфы и подшипника). Опора значительно раньше выходит из строя, чем вооружение (зубки или штырьки) шарошек. Для шарошечных долот бескернового бурения применяют следующие типы опор: А - все подшипники скольжения;

Н - один (замковый) шариковый, остальные подшипники скольжения;

В - все подшипники качения.

Опоры долот диаметром 132 мм и более имеют трехрядные под­шипники: один роликовый, два шариковых. Один из шарикоподшипни­ков — замковый. Шарики замкового подшипника засыпают в шариковые канавки через специальное отверстие в лапе, в которую затем вставляют палец. Палец проваривают в лапе.

Опоры долот диаметром 112 мм имеют один замковый и один роликовыйили подшипник скольжения.

Современные шарошечные долота могут иметь как центральную, так и боковую промывочную систему. Центральную промывочную сис­тему выполняют в различных видах: с центральным цилиндрическим каналом, с боковыми косынками.

Боковая промывочная система представлена для долот с гидро­мониторными насадками. Для циркуляции промывочной жидкости в лапах делают полости, переходящие в направленный канал, в конце ко­торого монтируют сменные гидромониторные насадки, изготавливае­мые из твердого сплава. Для герметизации насадки имеют резиновые кольца. Крепят насадки при помощи пружинного кольца.

Для бурения геологоразведочных скважин применяют долота шести типов (рис. 13.3):

Тип долота М С Т ТК К ОК

Твердость пород Мягкие Средней твердости Твердые То же Крепкие Очень крепкие

Категории пород I-IV IV-V V-VI VII-IX VIII—XI XI-XII

В зависимости от назначения шарошечные долота имеют различ­ное вооружение. Долота типа М, С и частично Т имеют фрезерованные стальные зубки с наплавленным слоем твердого сплава (релит ТЗ). На калибрирующую часть наплавляют усиленный слой релита. Часть долот типа Т и долота типа К и ОК армируют цилиндрическими штырьками из твердого сплава ВК8В со сферической или клиновой рабочей по­верхностью. Калибрующие поверхности шарошек этих долот также ар­мируют твердосплавными штырьками.

Угол приострения зубков зависит от типа долот: для М - 37-40°, С - 40-42°, Т - 45-48°.

Угол наклона оси шарошек к оси долота составляет для М -. 57°30^/, С-55-5О°,ТиК-5(М7°ЗО^/.

Долота типа М, С и Т отличаются друг от друга величиной зуб­ков, шагом между зубками и величиной опор. Более крупные зубки, больший шаг и меньший размер опор у долот типа М, более мелкие зуб­ки и больший размер опор у долот типа Т.

Для создания эффекта резания долот типа М и С концы цапф ша­рошек смещены от центра долота на некоторый угол.

Шарошечные долота разведочного бурения в мягких породах ис­пользуют довольно редко. В этих породах чаще используют лопастные долота, обеспечивающие более высокие показатели бурения.

Основную часть шарошечных долот бескернового бурения вы­пускает Верхнесергинский завод.

Каждое долото имеет свой индекс. Долота старых выпусков, на­пример долото В-112 МГ-2, имеют следующие условные обозначения: В - завод изготовитель (Верхнесергинский завод); 112 - диаметр доло­та; М - назначение долота (для мягких пород); Г - тип промывочной системы (с гидромониторными насадками); 2 - количество шарошек.

Рис. 13.3. Двухшарошечные долота типов: а - К; б - ОК; в - Т(ТК); г - С; д – М

Долота новых выпусков, например долото II 112М-ЦВ, имеют индексацию со следующими обозначениями: II - количество шарошек; 112 - диаметр долота; М - назначение долота; Ц - тип промывочной системы (центральная промывка); В - тип опоры.

Область применения и характеристика шарошечных долот, ис­пользуемых в разведочном бурении, приведена в табл. 9.1.

Наиболее слабым звеном шарошечного долота, как рассмотрено выше, является его опора. В САИГИМС разработано долото типа ДДА-ТК с усиленной опорой. Долото серийно выпускается Ташкентским ремонтно-механическим заводом.

Долото состоит из корпуса, образованного двумя лапами. Нип­пель на корпусе служит для соединения его с расширителем. На каждой лапе имеются цапфы, на которые устанавливают шарошки. Их на цап­фах крепят V-образным замковым пальцем. Угол наклона осей шарошек к оси долота - 65°. Подшипники отсутствуют. Основная шарошка вы­полнена в виде конуса и армирована твердосплавными штырьками (вставками) со сферической рабочей поверхностью. Калибрующая ша­рошка имеет вид диска и предназначена для калибровки скважин.

Как отмечено выше, двухшарошечные долота, особенно предна­значенные для бурения твердых и крепких пород, изнашиваются по диаметру, поэтому применяют долота типа ДДА-ТК в комплекте с рас­ширителями.

В настоящее время выпускают долота типа ДДА диаметром 59, 76 и 93 мм в комплекте с шарошечными расширителями РШ-59, РШ-76, РШ-93.

Используя опыт САИГИМС, для бурения мягких и средних по­род некоторые заводы стали выпускать долота с усиленными опорами - дисковые долота фрезерного типа (рис. 9.4). Фрезерование горных пород забоя происходит благодаря применению плоских шаро­шек-дисков 2 и установки их ближе к центру долота, а также за счет смещения осей вращения дисков. В связи с использованием более мощ­ных опор и малой скорости вращения дисков, (а, следовательно, малому износу опор) удается значительно повысить срок службы долота.

Конструктивно дисковые долота аналогичны долотам ДДА. Только цапфы на лапах отсутствуют, а шарошки устанавливают прямо на горизонтальный палец-ось 4 (угол наклона оси шарошек к оси долота равен 90°). Для предотвращения быстрого износа долота по наружному диаметру на его корпусе и торцевой части оси устанавливают твердо­сплавное калибрующее вооружение. Промывочные каналы расположе­ны в поперечных выступах с двух сторон. В зависимости от перебури-ваемых горных "пород можно использовать долота с различным воору­жением:

с однорядным штырьевым, с пря­молинейными венцами;

с многорядным штырьевым, расположенным в шахматном порядке;

с неравномерным шагом штырьков;

с наклонными венцами;

с комбинированным вооружением.

Однорядное вборужение приме­няют в долотах, предназначенных для

бурения малоабразивных пород (до VI категории). Такое вооружение имеется в долотах 27ДФ-93С.

Многорядное вооружение исполь­зуют в долотах для бурения абразивных пород средней буримости.

Для бурения пород средней буримости с включением абразивных пропластков изготавливают долота с наклонны­ми венцами.

Для бурения перемежающихся по твердости пород применяют долота с комбинированным вооружением. Например, долото 5Д-59С имеет однорядные наклонные венцы и штырьки с неравномерным шагом.

В дисковых долотах можно применять следующие типы опор

опору скольжения с центральным упорным сектором (27ДФ-95С); опо­ры с двухрядными шарикоподшипниками; опоры со втулками скольже­ния; опоры с роликоподшипниками.