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