Бурение сплошным забоем

При бесксрновом бурении геологоразведочных скважин применют лопастные, шарошечные и алмазные долота различных типов.

Лопастные долота выпускаются в соответствии с ТУ-26-02-675-75 трех типов: двухлопастные 1-2Л (для бурения скважин диаметром 76,93, 112, 132 и 151 мм), трехлопастные З-ЗЛ диаметрами 132 и 151 мм, истирающс-режущие долота 2-ИР-ДС диаметром 76, 93, 112, 132 и 151 мм.

Лопастные долота рекомендует использовать при проходке мягких, рыхлых, сыпучих горных пород I—IV категорий буримости.

Шарошечные долота выпускаются в соответствии с ГОСТ 20692-75. По назначению шарошечные долота разделяются на следующие виды: для бескернового вращательного бурения; для бурения с отбором керна (колонковые долота); для гидроударного бурения; для бурения с продувкой; специального назначения.

При геологоразведочном бурении используют долота для бескернового бурения.

Для бурения применяют наряду с долотами, которые оснащены только шарошками, комбинированные шарошечные долота.

• 1. Шарошечно-лопастные долота используют для бурения скважин в мягких породах с наличием валунно-галечных отложений и пропластков твердых пород. Они эффективны также при бурении мерзлых горных пород и поэтому нашли применение при бурении скважин в регионах Сибири и Дальнего Востока. В шарошечно-лопастных долотах сочетается двухлопастное долото режущего типа с шарошечным зубчатым долотом ударно-скалывающего действия. В процессе бурения лопастное долото эффективно проходит разрезы мягких пород, а при встрече твердых пропластков вступает в работу шарошечное долото, эффективно разрушая твердые хрупкие породы ударным воздействием зубчатого вооружения. В мерзлых горных породах, для которых при бурении свойственно таяние и размягчение в поверхностном слое, шарошки дробят мерзлый массив, а лопастное долото подрезает мягкий подтаявший слой, подготавливая забой для работы зубьев шарошек.
• 2. Шарошечно-ударные долота предназначены для бурения с использованием забойных гидро- и пневмоударных машин. В данном случае шарошечное долото сочетается с долотом ударного типа, располагаемого между шарошками в центральной части.
• 3. Шарошечно-шнековые долота используют для бурения сыпучих пород, мерзлых пород и мягких горных пород с пропластками твердых.
• 4. Шарошечно-цепные долота предназначены для бурения глубоких скважин и представляют собой целые породоразрушающие агрегаты, оснащенные значительным количеством шарошек.

Рис. 2.29. Трехшарошечные долота: а - для бурения мягких горных пород с фрезерованными на шарошках зубьями;

• 6, в - для бурения средних по твердости и твердых горных пород с твердосплавными породоразрушающими вставками;
• 1 - траектории движения венцов шарошек долота; 2 - сопло для выхода промывочной жидкости с боковым расположением;
• 3 - шарошки; 4 - лапы долота; 5 - резьба

в

Для производства геологоразведочных работ выпускают бескерновые шарошечные долота следующих типов: М (для мягких пород), М3 (для мягких абразивных), МС (для мягких с пропластками пород средней твердости), МСЗ (для мягких абразивных с пропластками пород средней твердости), С (для горных пород средней твердости), СЗ (для абразивных пород средней твердости), СТ (для горных пород средней твердости с пропластками твердых), Т (для твердых пород), ТЗ (для твердых абразивных пород), ТК (для твердых горных пород с пропластками очень твердых), ТКЗ (для абразивных твердых пород с пропластками очень твердых), К (для очень твердых пород), ОК (для весьма твердых горных пород).

На рис. 2.29 показаны трехшарошечные долота для бурения различных по твердости горных пород. На снимках показаны некоторые из множества возможных вариантов вооружения долот. Например, на рис. 2.29, а приведена схема траекторий работы венцов шарошек долота, из которой следует, что каждый отдельный венец зубьев на шарошках работает по своей траектории и только крайние венцы на всех трех шарошках - одновременно, что возможно только при условии их взаимодействия по самоочищающейся схеме.

Все перечисленные долота подразделяют на две группы, которые отличаются как по характеру взаимодействия и разрушения горной породы на забое, так и по конструктивному исполнению рабочих породоразрушающих органов - шарошек долота.

Первая группа шарошечных долот - долота с зубчатыми шарошками, производящие раздавливающе-дробяще-скалывающее воздействие (М, М3, МС, МЗС, СЗ). Инструмент данного способа воздействия предназначен для бурения горных пород, в основном У-ХП категорий по буримости. При бурении реализуются раздавливание, дробление, скалывание, резание породы при

проскальзывании шарошек.

Рис. 2.30. Схема долота, реализующего качение шарошек без проскальзывания:

1 - шарошки; 2 - оси вращения шарошек

Этапы разрушающего действия: косой удар - скалывание породы под действием усилия Ру,

раздавливание породы и углубление лунки под действием усилия Р₂;

при проскальзывании в направлении вращения шарошки происходит скалывание и подрезание породы.

По мере увеличения твердости горных пород от мягких до средних угол приострения а клиновидных зубьев увеличивается от 30-40 до 80-90.

Для бурения твердых, крепких и очень крепких пород используют овальные и шарообразные твердосплавные вставки.

Раздавливание, дробление и скалывание породы реализуется при качении шарошки по забою, а вследствие проскальзывания (поступательного движения шарошки без вращения на оси) осуществляется дополнительное резание-скалывание породы.

Таким образом, разрушение горных пород может производиться при различных соотношениях режуще-скалывающего и дробящего воздействия.

Рис. 2.31. Схемы трехшарошечного долота со смещением осей вращения шарошек: а - вид с торца; б - двухконусная шарошка;

1 - шарошки; 2 - оси вращения шарошек и двухконусной шарошки

Чтобы создать долота, производящие на горную породу только ударные дробящие нагрузки, необходимо придать шарошкам такую геометрическую форму, при которой последние осуществляли бы чистое качение. Этим условиям соответствует одноконусная шарошка с образующими, пересекающимися на оси долота (рис. 2.30). Любое отклонение от указанной геометрии приводит к проскальзыванию шарошек при вращении долота на забое.

Проскальзывание шарошек является важным показателем конструкции долота, который оценивается коэффициентом проскальзывания (К_пр) отношением длины траектории проскальзывания зубца за один оборот долота на забое к длине концентрической окружности на забое скважины, по которой перемещается зубец при вращении долота. Проскальзывание достигается за счет формы шарошек и смещения осей вращения шарошек от оси долота С (рис. 3.31, а). Например, для долот с конусными шарошками К,_1р = 0, для двух-, трехконусных шарошек (рис. 3.31, б) К_пр = 0,05-0,1, для бочкообразных К_пр = 0,1-0,15, для долот со смещением осей шарошек от оси долота коэффициент проскальзывания может достигать 0,3 (рис. 3.31, а). То есть в последнем случае, почти треть пути по забою зубцы шарошек осуществляют поступательное перемещение как зубцы твердосплавных коронок и долот, а только две трети

пути - перекатываются, совершая дробяще-скалывающее и раздавливающее воздействие на породу.

Вооружение шарошек долот первой группы выполняется зубчатым (зубцы фрезеруются непосредственно на шарошке и армируются наплавляемым твердым сплавом), а долота, предназначенные для бурения абразивных пород, имеют вооружение в виде запрессованных в шарошки твердосплавных вставок с клиновидной формой рабочей поверхности.

Для второй группы долот характерно увеличенное дробящее воздействие на породу и минимальное проскальзывание шарошек (СТ, Т, ТЗ, ТКЗ, К, ОК). Именно поэтому долота данного типа оснащаются в основном одноконусными шарошками, устанавливаемые в долоте без смещения осей вращения. При этом шарошки долот типа СТ и Т выполняют зубчатыми, шарошки долот типа ТК, К, ОК армируются твердосплавными вставками со сферическими торцами, а шарошки долот типа ТЗ и ТКЗ имеют комбинированное вооружение - зубья чередуются с твердосплавными вставками.

Рис. 2.32. Шарошечное долото ДЦА

Шарошечные долота могут оснащаться гидромониторными насадками, повышающими скорость истечения струй промывочной жидкости из центрального канала долота для улучшения очистки забоя и шарошек от продуктов разрушения.

Обязательным условием при

конструировании шарошечных долот является создание достаточно долговечной опоры шарошек. С этой целью трущиеся детали долот выполняют из высококачественных сталей и подвергают специальной термообработке.

Особенно сложным представляется создание долговечных опор качения шарошек у долот диаметром 76, 59 и 46 мм в связи с резким снижением прочностных характеристик всех деталей долот и трудностью использования шариковых затворов шарошек, вызванной малыми размерами цапф, лап и низкой прочностью шариков приемлемых размеров.

В связи с этим для бурения скважин диаметром 76-46 мм в Среднеазиатском НИИ геологии и минерального сырья И. Д. Чумаковым предложена оригинальная и эффективная конструктивная схема малогабаритного долота, получившего маркировку ДДА (долото двухшарошечное асимметричное). Долота ДДА-46, 59, 76 и 93 предназначены для бурения твердых и очень твердых горных пород.

Долото ДДА (рис. 2.32) состоит из корпуса с резьбой 1 из двух секций, соединенных сварными швами 2. На цапфах 3 корпуса смонтированы шарошки 4 полусферической формы, армированные цилиндрическими зубками 5 из твердого сплава ВК8. Опора долот (цапфа 3, шарошка 4) представлена подшипником скольжения, что позволяет выполнить ее конструктивно более прочной, так как не требуется размещение на опоре шариков и роликов подшипниковых узлов. Шарошки долота 4 закрепляются на лапах распорным У-образным пальцем 6 с упорными буртами, который своими концами вставляется в отверстия пустотелых цапф 3, создавая, таким образом, дополнительную опору. В этом случае шарошки 4 размещены в долоте не консольно, как это принято по основной схеме изготовления шарошечных долот, а в пределах замкнутого контура «цапфа - У-образный палец-лапа», что существенно повышает прочность долота и практически исключает отделение шарошек от корпуса при бурении. Угол наклона цапф 6 к оси долота составляет 65. Детали долота изготавливают из легированной стали и подвергают термообработке, цементации, закалке и отпуску.

Особенностью механики работы долот ДДА является большой путь проскальзывания шарошек по забою скважины, некоторый перекос долота при работе, что приводит к расширению ствола скважины. Исследования, выполненные при создании конструкции долота ДДА, показали, что проскальзывание является одним из основных факторов, интенсифицирующих процесс разрушения при бурении не только мягких и пластичных, но и твердых пород.

При бурении долотами этого типа достигается более высокая механическая скорость бурения при относительно равном ресурсе, в сравнении с долотами других конструкций, например, трех- или двухшарошечных долот типа К, конструкции СКБ Министерства геологии.

По конструктивной схеме шарошечного долота изготавливают долота безударного раздавливающего и режуще-скалывающего действия (рис. 2.33).

К инструменту безударного раздавливающего действия относятся, прежде всего, дисковые долота, которые в процессе бурения, вращаясь, перекатываются по забою и острыми ребрами шарошек раздавливают породу под действием осевого усилия и развиваемых в породе контактных напряжений.

В данных долотах шарошки в виде дисков устанавливают, ориентируя оси вращения шарошек параллельно забою и по касательной к траектории вращения долота так, что в процессе бурения шарошка прокатывается по стенке скважины. Частота вращения шарошек у данных долот прямо пропорциональна скорости бурения, поскольку качение шарошек обеспечивается за счет взаимодействия зубьев шарошек со стенкой скважины при углублении долота. Частота вращения зубчато-дисковой шарошки

(2.30)

Рис. 2.33. Схема взаимодействия зубчато-дисковых шарошек режущего долота с забоем скважины: м - число шарошек; Д, - диаметр долота; сі_т - диаметр шарошки; Р_ос - осевая нагрузка на долото; и_д - частота вращения долота; и_ш - частота вращения шарошки

«ш =

Мд

ш

псі

где

у_б - скорость бурения, м/мин;

с1_ш - диаметр шарошки, м;

К,_л - коэффициент, учитывающий дополнительное увеличение частоты вращения шарошки за счет влияния реакции забоя.

Зубчато-дисковая шарошка реализует разрушение мягких горных пород и пород средней твердости резанием-скалыванием зубьями дисковых шарошек,

установленных в радиальном направлении относительно корпуса долота (рис. 2.33).

Вращение и перекатывание шарошек по забою происходит за счет зацепления зубьев с образовавшейся криволинейной поверхностью у стенки скважины. В породах средней твердости зубчато-дисковая шарошка вращается в 20 раз медленнее долота, а частота её вращения пропорциональна скорости бурения.

Зубчато-дисковые шарошечные долота успешно заменяют лопастные долота режущего типа. Анализ показывает, что соотношение путей трения зубьев долот с зубчато-дисковыми шарошками /_т и периферийных резцов режущих долот Ь, определяется выражением

(2.31)

к ^2п’"

*4 7 12

К ™ш"ш

где г - радиус размещения периферийного резца, м.

При одинаковых диаметрах сравниваемых долот К_Т = 2. Таким образом, износостойкость вооружения долот с зубчато-дисковыми шарошками в 2 раза выше, чем лопастных долот режущего типа.

Подобная конструктивная схема исполнения долота полностью исключает ударный характер передачи нагрузок к породе (преобладает проскальзывание над качением шарошек по забою), но позволяет получить инструмент вращательного типа, у которого при бурении происходит смена контактирующих с забоем резцов за счет проворота шарошек. В результате достигается более значительный ресурс инструмента, так как число одномоментно контактирующих с породой резцов значительно меньше их общего числа. В контакте с породой зуб за один оборот проходит примерно 3/8 своего пути. На протяжении 5/8 пути зуб не контактирует с породой при любом количестве зубьев на шарошке. Таким образом, только 3/8 количества зубьев шарошки контактируют с забоем в каждый момент времени работы долота. Все зубья шарошки проходят равный путь по забою, что способствует равномерному их износу.

При одновременном участии в двух движениях (вращении вокруг своей оси и оси долота) зубчато-дисковая шарошка при разрушении породы в скважине для каждого зуба попеременно занимает две позиции, в которых реализуется или охлаждение (нерабочая), или разрушения породы (рабочая). При этом достигаются эффективные условия «отдыха» - охлаждения резцов, свойственные условиям работы обычных шарошечных долот, что отличает эти долота от долот режущего типа. Возможность «отдыха» породоразрушающих вставок зубчато-дисковых шарошек долот позволяет дополнительно повысить их износостойкость и ресурс.

Алмазные долота для бескернового бурения применяют в основном при направленном бурении. Выпускают алмазные долота следующих типов: 08АЗ, 08ИЗ диаметром 46 мм, 09АЗ диаметром 59 и 76 мм. В Тульском НИГП проведено усовершенствование указанных долот. В результате дополнительных исследований уточнена схема армирования долот алмазами и скорректированы режимы их термической обработки.

Компания Atlas Copco выпускает однослойные алмазные долота с коническим профилем торца диаметром 46, 56, 66 и 76 мм для бурения горных пород средней твердости и твердых. Долота армированы алмазами марки S зернистостью 20-25 шт./карат.

Компания Boart Longyear выпускает специальные долота для направленного бурения как импрегнированные, однослойные, так и со вставками типа PDC и TSD. Компания также выпускает инструменты для постановки клиньев при направленном бурении. Для бескернового бурения долота компании Boart Longyear отличаются усиленной центральной частью для снижения износа в этой критической области.

При взаимодействии с горной породой элементов вооружения шарошечных долот дробящее-скалывающего действия зуб долота внедряется в породу силой P_z, а второй зуб при перекатывании шарошки по забою наносит по нему косой удар с силой P_v. Таким образом разрушение горной породы происходит раздавливанием породы статическим усилием Р-_ и скалыванием несимметричным ударом с усилием P_v (рис. 2.34, а). При дальнейшем перекатывании шарошка опирается на забой двумя ближайшими в венце зубьями (рис. 2.34, б).

Энергия удара с силой Р_у может определяться из уравнения кинетической энергии, преобразованной для данной задачи:

й,я=—^^sin0' (2.32)

где Р - осевое усилие на долото, Н;

Рис. 2.34. Схема взаимодействия с породой вооружения

шарошечного долота

g - ускорение силы тяжести, м/с²;

п - число зубьев долота взаимодействующих с породой в момент удара зуба по породе;

г_ш - линейная скорость перемещения зуба в направлении приложения удара, м/с;

0 - угол между осями соседних по венцу шарошки зубьев, град.

Линейная скорость определяется как произведение частоты вращения шарошки долота и расстояния от торца зуба шарошки до мгновенного центра вращения шарошки со_ш • г_м. При чистом качении шарошки мгновенным центром её вращения можно считать ось вращения.

При проскальзывании шарошки по забою она не вращается, и мгновенный центр вращения смещается в направлении торца зуба, т. е. линейная скорость снижается. Подобные колебания частоты вращения шарошки и линейной скорости перемещения зуба характерны для работы долота.

Линейную скорость перемещения зуба шарошки можно определить ориентировочно по зависимости

(2.33)

где (йд - частота вращения долота, с,

• - диаметр долота, м;
• 7- число зубьев на периферийном венце шарошек;

Р - угол конусности шарошек, град.

Формула (2.32) с учетом выражения (2.33) будет выглядеть следующим образом:

2_Уд =

р

Г

°>А

Э ІП0.

(2.34)

gny(r_ш-h)smfi "

Если использовать для определения энергии удара зубом шарошки о породу на забое потенциал высоты Н (рис. 2.34), на которой находится зуб шарошки долота, то зависимость для определения этого параметра может выглядеть следующим образом:

PH

п

• (~ • 2 е Л
• 2г бш —И .
• Ш л

V ^ )

(2.35)

Вследствие косого удара в породе образуется несимметричная лунка, вытянутая в направлении удара. В следующий момент, завершая скалывание породы проскальзыванием, зуб вдавливается в образовавшуюся лунку,

завершая процесс разрушения в данной точке уже под действием статического вдавливания. В результате работы шарошек долота формируется забой

Рис. 2.35. Следы работы на забое шарошечного долота типа С диаметром 112 мм на керне

характерного профиля (рис. 2.35).

В данном случае можно отметить универсальность породоразрушающего действия шарошечных долот, а именно сочетание

динамических и статических воздействий на породу и

реализацию породоразрушающих усилии как в направлении перпендикулярно забою

(раздавливание), так и в плоскости забоя (скалывание). Можно добавить, что при проскальзывании шарошек на забое обеспечивает еще и резание-скалывание породы.

При перекатывании шарошек по забою происходит перемещение долота в вертикальном направлении на величину

/

1-С08

<Л

(2.36)

I /

где 2 - число зубьев в венце; с1_п - диаметр венца, м.

Таким образом, разрушение горной породы носит ярко выраженный динамический характер, а каждый элемент вооружения долота периодически оказывает на горную породу сложное дробяще-скалывающее действие. Долото при перекатывании шарошки по забою совершает продольные колебания с амплитудой А (см. рис. 2.34, б).

При повышении глубины внедрения зуба в породу /г энергетика динамической составляющей разрушения, как это следует из формул (2.34) и (2.35), снижается. То есть, при бурении не достаточно прочных и мягких горных пород, при разрушении которых глубина внедрения /г может быть более значительной, в сравнении с бурением более твердых пород, будут преобладать раздавливание и скалывание породы при проскальзывании шарошки по забою и поступательном перемещении зуба.

При бурении твердых пород внедрение зуба в породу /г незначительно, в сравнении с размерами зуба, поэтому динамическая составляющая разрушения будет максимальной, а процесс разрушения породы определяется скалыванием вследствие динамического воздействия и с последующим раздавливанием под действием осевого усилия Р-_.

На динамику процесса разрушения горных пород шарошечными долотами определенное влияние оказывает шаг 5 зубьев в венце, который определяется из зависимости:

• (2.37)
• ? У вш —,
• 2’

где у - угол поворота шарошки при переходе с зуба на зуб, град.

Если зубья в венце шарошки поставлены редко, будет выше амплитуда А продольного колебания шарошки и, соответственно, выше степень динамичности работы долота. При наличии нескольких шарошек у долота характер динамичности может определяться по синхронизации перекатывания двух, трех или более шарошек с зуба на зуб.

Шаг расстановки зубьев в венце 5 шарошки может зависеть от глубины погружения к зубьев в породу, величина которого определяется твердостью породы и осевым усилием на долото. Наиболее успешно бурение будет происходить тогда, когда глубина погружения зубьев к соответствует шагу расстановки зубьев.

Механическая скорость бурения шарошечными долотами определяется интенсивностью разбуривания наиболее трудно разрушаемых участков забоя скважины: центра и периферии. Центр забоя разрушается менее интенсивно из-за слабой вооруженности вершин шарошек и малой скорости их вращения, а периферия - из-за полублокировки работающих зубьев. Слабая интенсивность разрушения центра забоя приводит к быстрому выходу из строя прежде всего опор долота, которые вынуждены работать с максимальной перегрузкой, особенно при консольном закреплении шарошек.

Интенсификация темпа разрушения центральной части забоя скважины может быть осуществлена при выпуклом забое путем создания пикообразного выступа породы. Разрушение его при многоконусных шарошках происходит с высокими динамическими нагрузками в облегченных условиях, когда каждый венец создает ступеньку и дополнительную плоскость обнажения для последующего венца. Слабо разбуриваемые окраины забоя требуют повышенной боковой защиты долот и применения шарошечных расширителей, так как вследствие жестких условий работы долота может интенсивно изнашиваться его боковое вооружение и лапы корпуса, а скважина зауживаться.

Долота армируют твердым сплавом для защиты от бокового износа шарошки и лап. Наряду с обычной армировкой используют подвижные вращающие элементы защиты, например, вращающие зубки, диски, штыри, которые подобно самим шарошкам могут проворачиваться вокруг своей оси и, таким образом, предохраняясь от чрезмерного изнашивая, эффективно защищать корпус и шарошки долота от износа.