9.3. Технология бурения

Для шарошечного бурения рекомендуется придерживаться следующего порядка выбора параметров технологических режимов бурения.

После тщательного изучения свойств горных пород весь разрез разбирают на пачки близких по буримости горных пород. Для бурения каждой пачки или пласта значительной мощности подбирают долото, учитывая следующие рекомендации:

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

Тип долота М С Т ТК К ОК

Затем подбирают промывочную жидкость. В результате высокой механической скорости шарошечного бурения, а также разрушения гор­ной породы по всему сечению скважины в процессе бурения образуется большое количество тяжелого шлама (в 4-5 раз больше, чем при колон­ковом бурении). Для его выноса необходимо подавать большое количе­ство промывочной жидкости.

Большие скорости циркуляции жидкости ведут к ряду негатив­ных явлений: размыванию стенок скважины, увеличению гидравличе­ского подпора и т.д. Лучшие результаты показывает использование промывочных жидкостей с высокой несущей способностью, таких как глинистые растворы. Глинистые растворы не только способствуют бо­лее чистой промывке забоя от шлама, но и закреплению стенок скважин в неустойчивых горных породах.

Однако следует помнить, что глинистый раствор можно приме­нять только при крупном и тяжелом шламе и в трещиноватых породах. При наличии мелкого легкого шлама и там, где это возможно, жела­тельно использовать полимерные растворы, эмульсии, аэрированную жидкость, пену или воздух, так как применение вязких глинистых раство­ров приводит к снижению механической скорости бурения, повышению износа долот и увеличению себестоимости 1 м скважины.

При шарошечном бурении так же, как и при других видах вращательного бурения, механическая скорость бурения прямо пропорциональна (до определенного предела) осевой нагрузке. Проведенными А.Ф. Мершаловым экспериментальными исследованиями установ­лено, что интенсивное увеличение механической скорости бурения (при частоте вращения долота 153 об/мин и расходе жидкости 180 л/мин) для пород V категории происходит при повышении осевой нагрузки в пре­делах 5 - 20 кН, для пород VI категории - в пределах 10 - 30 кН, для по­род VII категории – 20 - 35 кН и VIII категории – 25 - 40 кН.

Дальнейшее повышение осевой нагрузки при сохранении осталь­ных параметров приводит к снижению механической скорости бурения, поэтому необходимо увеличивать не только осевую нагрузку, но и рас­ход промывочной жидкости. В практической деятельности нагрузку на долото определяют по формуле

С_ос = pD, даН,

где р - удельная нагрузка на 1 см диаметра долота, даН (табл. 9.2).

С увеличением скорости вращения долота возрастает инерцион­ное сопротивление горных пород, поэтому зависимость механической скорости бурения носит криволинейный характер, темп повышения ме­ханической скорости бурения с увеличением частоты вращения до­лота снижается, а расход энергии возрастает. Поэтому для повышения производительности бурения более целесообразно энергию расходовать не на повышение частоты вращения, а на повышение осевой нагрузки.

Таблица 9.2

Частоту вращения рассчитывают по формуле

n = , об/мин,

где - окружная скорость.

Окружную скорость долота при шарошечном бурении малоабразивных пород принимают в пределах 0,6 - 1,4 м/с. В зависимости от бу­римости горной породы и типа долота (табл. 9.3) частоту вращения до­лот с глубиной скважины рекомендуется уменьшать.

Минимальные осевые нагрузки и максимальные частоты враще­ния рекомендуется применять при бурении менее крепких пород, мак­симальные осевые нагрузки и минимальные частоты вращения - при бурении более крепких пород.

При бурении абразивных сильнотрещиноватых пород следует принимать минимальные частоты вращения снаряда до 60-100 об/мин и осевую нагрузку на долото. При нарастании кривизны сква­жины свыше 5 % на 1000 м также необходимо уменьшать осевую на­грузку на 30 – 50 % от нормальной.

Таблица 9.3

Расход промывочной жидкости определяют в зависимости от количества шлама. При бурении мягких и средней твердости пород механическая скорость бурения пропорциональна (в пределах 100 - 300 л/мин) количеству жидкости, подаваемой на забой. Для шарошечно­го бурения скорость восходящего потока промывочной жидкости при­нимают равной 0,5 - 0,8 м/с.

На основании анализа зарубежных работ С. С. Сулакшин [8] рекомендует принимать скорость восходящего потока при бурении очень твердых пород равной 0,3 м/с, твердых - 0,5-0,6 м/с, пород средней твердости и мягких - 0,7 - 0,9 м/с.

Выбор оптимальной нагрузки начинают с максимально рекомендуемой при дальнейшем снижении нагрузки. Если механическая скорость при этом падает, возвращают первоначальную нагрузку.

Мягкие породы и породы средней твердости следует разбуривать с постоянной нагрузкой. В твердых породах нагрузка на долото в тече­ние рейса, с увеличением износа долота, должна увеличиваться, а на до­лото со штырьевым вооружением оставаться постоянной.

Регулирование параметров режимов в процессе бурения произво­дят в зависимости от буримости горных пород.

Порядок отработки шарошечных долот аналогичен поряд­ку отработки коронок. Так же, как и при твердосплавном бурении, пе­ред спуском снаряда в скважину проверяют состояние бурильной колонны, забойного снаряда, породоразрушающего инструмента, вы­браковывают шарошечные долота. В первые 10-15 мин ведут приработ­ку долот.

В процессе бурения необходимо найти оптимальные параметры режимов бурения и определить момент подъема снаряда (оптимальную длительность рейса). Основными признаками, указывающими на необходимость подъема, являются равенство механической и рейсовой скорости бурения _мех = _р, резкое снижение механической скорости бурения или полное прекращение углубки. Прекращение углубки, сопрово­ждающееся рывками, свидетельствует о заклинивании опор или шаро­шек в скважине.

После подъема снаряда шарошечные долота замеряют и выбраковывают при следующих условиях:

1) твердосплавные зубки изношены более чем на 80 %;

2) зубки шарошек изношены на ²/₃ высоты;

3) люфты шарошек для долот диаметром 59 и 76 мм достигают 4 мм, диаметром 93 мм - 5 мм, диаметром 112 и 132 мм - 6 мм, диаметром 151мм -7мм;

4) вершины шарошек полностью изношены;

5) долото изношено по диаметру более чем на 3 мм.

Дисковые долота выбраковывают при износе цилиндрических зубков на 50 % и наличии люфта 2,5 мм.

Шарошечное бурение бескерновым способом получило широкое распространение при бурении скважин с хорошо изученным геологиче­ским разрезом, вследствие его высокой производительности. Но ос­новной задачей геологоразведочной службы является опробование по­лезных ископаемых. Даже при детальной разведке, где чаще всего ис­пользуют шарошечное бурение, по полезному ископаемому требуется полноценный керн. Поэтому одной из проблем повышения производи­тельности бурения и качества опробования является дальнейшее совер­шенствование и более широкое внедрение колонкового шарошечного снаряда, который по данным ряда исследователей имеет значительно более высокие показатели, чем снаряды твердосплавного и алмазного бурения.

Вследствие большого количества шлама, образующегося при шарошечном бурении, и широкого использования в качестве промывочной жидкости глинистых растворов, происходит интенсивный износ эле­ментов бурового снаряда и породоразрушающего инструмента, поэтому важнейшей задачей при шарошечном бурении является улавливание шлама. К сожалению, не всегда еще в геологоразведочных партиях для улавливания шлама используют шламовые трубы, которые помимо ос­новного своего назначения снижают интенсивность искривления сква­жин и вибрацию бурильной колонны.