Колонковое разведочное бурение. Некоторые вопросы теории колонкового бурения

При вращательном бурении внедрение резцов и раздавливание породы производится под воздействием осевого усилия. Под действием вращающих усилий разрушение породы распространяется по всему забою. Непрерывное и одновременное действие осевых и вращающих усилий приводит к разрушению породы забоя спиральными слоями.

Скорость вращательного бурения зависит от глубины внедрения резцов коронки в породу и скорости ее вращения.

При бурении разрушается порода, под воздействием которой затупляются резцы, что приводит к снижению скорости бурения. Скорость и степень износа резцов зависит прежде всего от соотношения между твердостью резцов и твердостью разрушаемой горной породы, а также от ее абразивности, вязкости, трещиноватости и т. п. Потеря резцами первоначальной формы зависит также от расположения резцов по торцу коронки, от их геометрии, а также от режима бурения.

Чем тоньше срезаемый резцами слой породы, тем больше последняя измельчена и тем больше затрачивается энергии на разрушение единицы объема породы.

При бурении весьма твердых пород необходимо или вставлять в коронку особо твердые и износоустойчивые резцы-алмазы, или применять такой способ бурения, при котором можно было бы, не поднимая коронки, в процессе бурения непрерывно заменять быстроизнашивающиеся и стирающиеся материалы новыми, как это имеет место при дробовом бурении.

Вследствие затупления резцов проходка будет постепенно замедляться и тем скорее, чем быстрее затупляются резцы. Опыт бурения показывает, что внедрение резцов в породу при неизменном осевом давлении уменьшается быстрее, чем происходит их затупление (линейный износ).

В мягких породах скорость вращательного бурения растет прямо пропорционально числу оборотов породоразрушающего инструмента. В твердых малоабразивных породах скорость бурения растет с увеличением числа оборотов. Однако при высоких числах оборотов повышение скорости вращения уже мало влияет на механическую скорость бурения. В крепких и абразивных породах скорость бурения после определенных "критических" чисел оборотов начинает снижаться.

Для того чтобы производительность коронка была высокой, а затупляемость резцов - низкой надо подбирать режущий (истирающий) материал (алмазы, дробь, твердые сплавы) в соответствии с разбуриваемыми породами. Весьма важно, чтобы коронка изнашивалась по возможности равномерно. Поэтому ее следует так армировать резцами, чтобы работа разрушения производилась одновременно и в равной степени всеми резцами коронки.

Периферийные грани резцов производят работу не только по разрушению забоя, но и по отделению частиц породы от стенок скважины и керна, поэтому они изнашиваются более интенсивно. Необходимо усиливать против износа именно периферийные части коронки. Для увеличения износоустойчивости целесообразно располагать резцы коронки таким образом, чтобы забой имел ступенчатую форму. В этом случае работа верхнего ряда резцов будет происходить при наличии второй обнаженной плоскости, что облегчает разрушение породы.

Для износоустойчивости коронок важно, чтобы резцы были прочно закреплены в торце коронки. В частности, пластинки твердого сплава должны быть прочно припаяны к своим гнездам.

Алмазы должны иметь весьма большую сцепляемость с цементирующим сплавом матрицы: последняя должна обладать достаточной твердостью, чтобы под влиянием осевой нагрузки алмазы не вдавались в нее. Количество резцов в коронке не должно быть велико. Величина осевой нагрузки ограничивается прочностью бурильной колонны. Чем больше резцов в коронке, тем меньшее давление передается на каждый резец. В то же время давление на породу должно быть больше твердости породы. Поэтому, чем крепче порода, тем меньшей опорной поверхностью, большей твердостью и износоустойчивостью должны обладать резцы. Кроме того, именно при бурении в крепких породах боковые стенки коронки (наружные и внутренние) должны быть хорошо защищены калибровочными подрезными зубцами.

Обычные коронки, армированные твердыми сплавами, мало пригодны для бурения в крепких породах, особенно абразивных.

В таких породах скважины лучше всего проходить инструментами дробящего типа (шарошечными долотами).

При колонковом бурении скважин в крепких абразивных породах бурение осуществляется алмазными, дробовыми и в последнее время самозатачивающимися твердосплавными коронками. Для того чтобы обеспечить самозатачивание коронки, к тупым зубьям из мягкой стали припаивают тонкие лезвия твердого сплава. В процессе бурения мягкая сталь изнашивается быстрее твердого сплава, поэтому тонкое лезвие все время несколько выступает из зуба. Для усиления этого эффекта иногда в тупом зубе просверливают отверстия.

Для бурения в абразивных кварцевых породах могут быть применены коронки, зубья (резцы) которых армированы зернами твердого литого сплава, сцементированные относительно мягким цементом. Такие коронки могут работать, как самозатачивающиеся в крепких абразивных породах при относительно малой подаче промывочной жидкости при больших скоростях вращения и осевой нагрузке.

При дробовом бурении дробь из прорези дробовой коронки должна непрерывно подаваться на забой под торец коронки, придавливающей ее к забою и вовлекающей во вращение. При нормальном процессе дробового бурения происходит непрерывное питание забоя дробью, а мелкие неработоспособные зерна дроби промывочный раствор уносит в шламовую трубу, поэтому расход дроби получается большим.

Ударно-вращательное бурение

При вращательном бурении в крепких и абразивных породах твердосплавные резцы быстро затупляются, что приводит к снижению механической скорости бурения. Поэтому в крепких и абразивных породах для эффективности бурения применяют алмазные коронки или дробовое бурение. Твердо-сплавными коронками можно успешно разрушать крепкие породы, если перейти на ударно-вращательный способ бурения.

При ударно-вращательном бурении вращение коронки производится с небольшой окружной скоростью при относительно небольшой осевой нагрузке. При этом одновременно наносят по коронке большое количество ударов.

Следовательно, при ударно-вращательном бурении разрушение породы происходит за счет кинетической энергии ударов коронки и за счет статических сил - осевого и окружного усилий.

Динамическая твердость породы ниже статической, поэтому при ударах происходит более эффективное разрушение породы. В то же время работа трения при ударно-вращательном бурении играет меньшую роль, ибо статическое усилие (усилие подачи) и окружные скорости относительно невелики, поэтому затупление резцов при ударно-вращательном бурении происходит медленнее, чем при вращательном.