Бескерновое бурение шарошечными долотами

Бурение лопастными долотами и пикобурами рационально только в больших массивах мягких пород. В полускальных и скальных породах, в том числе и с прослойками мягких пород, т.е. в породах от III до ХI категорий, бескерновое бурение ведется шарошечными долотами. В наиболее крепких породах ХI – ХII категорий, даже когда не нужен керн, выгоднее применять алмазные коронки, (меньше площадь разрушения породы, меньше расход П.Р.И. выше скорость бурения).

Шарошечные долота получили свое название от названия их главного элемента – «шарошка», представляющего собой металлический конус с выфрезерованными на его поверхности зубьями или армированный твердосплавными зубками или штырями, свободно вращающийся на специальной опоре, закрепленной на лапе долота. Само долото состоит из резьбовой части и корпуса с лапами, на опорах которых закреплены со свободным вращением шарошки. В геологоразведочном бурении практически применяются долота с двумя или с тремя шарошками. Разрушение породы происходит в результате того, что при вращении долота шарошки катится по забою, вращаясь вокруг своих осей, и зубья шарошки поочередно ударяют по породе на забое и разрушают ее. В твердых скальных породах разрушение происходит только за счет ударов, и такое воздействие называют «дробящее» действие. Для бурения в слабых скальных и полускальных породах применяют долота, у которых оси шарошек смещены относительно центра долота. При вращении такого долота зубья шарошек в процессе вращения имеют горизонтальное поступательное смещение вдоль забоя («скольжение») и кроме ударов дополнительно срезают или скалывают породу. Такое действие называют «дробящее - скалывающее».

Конкретно для каждой группы пород разработаны соответствующие типы шарошечных долот, обозначаемые буквами М. С. Т. К и ОК, соответствующие породам: – мягкие, средние, твердые, крепкие, очень крепкие, а также промежуточные подтипы МС, СТ, ТК, соответственно породам: - мягкие - средние, средние - твердые, твердые - крепкие. Вооружение шарошек (элементы, разрушающие породу) может быть представлено фрезерованными в теле шарошки стальными зубьями с наплавленным на них порошковым твердым сплавом, либо твердосплавными «зубками», зачеканенными в специальные сверления в теле шарошки, тогда в шифр долота добавляется буква «З», либо твердосплавными штырями с олукруглой рабочей частью, такие штыри устанавливаются в шарашках долот К и ОК и такие долота называются «штыревые».

Применительно к породам шарошечные долота представлены 13 разновидностями в табл. 9

Таблица 9

Долото

М

МЗ

МС

МСЗ

С

СЗ

СТ

Т

ТЗ

ТК

ТКЗ

К

ОК

Порода

I - III

III - V

III - VI

V - VIII

IХ – ХII

В шифре долота вначале обозначается число шарошек римской цифрой (II или III). Затем в шифре указывается диаметр долота, после него устройство опор шарошек. Опоры качения (шариковые или роликовые подшипники) обозначаются буквой «В», опоры скольжения – буква «А», комбинированные опоры обозначают буквой «Н». По устройству системы промывки в долоте различают центральную промывку, обозначаемую буквой «Ц» и боковую или гидромониторную промывку, обозначаемую буквой «Г». Современные долота часто имеют герметичные маслонаполненные опоры, и в этом случае добавляется буква «У». Примерный шифр шарошечного долота может выглядеть так: II.112. МЗ-ГВУ или III.59. К-ЦА.

Правильный выбор долота имеет очень большое значение для эффективности бурения, т.е. получения максимальной скорости при минимальном износе довольно дорогого долота. После выбора типа долота применительно к породам, определяют долото по числу шарошек – две или три. Эта задача довольно сложная, так как у каждого варианта долота есть свои плюсы и минусы. Двухшарошечные долота имеют меньшую площадь контакта и, следовательно, дают большую скорость углубки при меньшей осевой нагрузке, они имеют более крупные и более прочные опоры. С другой стороны двухшарошечные долота менее устойчивы на забое и допускают большее искривление скважины, они имеют меньшее вооружение на боковой поверхности шарошек, что приводит к более быстрому износу долота по наружному диаметру и к конушению скважины. Трехшарошечные долота имеют больше вооружения, как на забое, так и по боковой поверхности, что обуславливает их повышенную износостойкость, но при этом у них более слабые опоры, Они более устойчивы на забое, (что важно для уменьшения искривления скважины), но требуют для той же скорости углубки более высокую осевую нагрузку.

Правильный выбор долота должен обосновываться на анализе горногеологических условий бурения, особенностей искривления скважины и на имеющемся производственном опыте.

Режим бурения шарошечными долотами.

Осевая нагрузка на долото.

Разрушение породы на забое скважины при бурении щарошечными долотами происходит за счет ударов зубьев долота по забою, а сила удара и глубина разрушения породы прямо пропорциональна величине осевой нагрузки. На рис. 33 показана зависимость скорости углубки и интенсивности износа долота от величины осевой нагрузки.

А	Б
Рис. 33

В слабых породах рост скорости бурения при чрезмерном росте осевой нагрузки ограничен полным внедрением зуба в породу и зашламованием забоя, т.е. корпус шарошки прижимает и уплотняет уже разрушенную породу и мешает ее своевременному удалению с забоя. В средних и твердых породах с ростом осевой нагрузки резко увеличивается износ долота, что видно и по характеру кривой износа долота, а слишком большая нагрузка может привести к разрушению опор и долото «рассыпается». Выбор величины осевой нагрузки при бурении шарошечными долотами в зависимости от буримых пород и диаметра долота предлагается по выражению F_ос. = q · D_дол., где q - удельная величина в кН/см диаметра долота, зависящая от типа долота и буримых пород, приведена в табл. 10

Таблица 10.

Тип долота	М	С	Т	К	ОК
q, кН/см.	1,3 – 2,3	1,6 – 4,0	2,0 – 4,6	3,0 – 5,0	4,5 – 6,0

Максимальные значения рекомендуется принимать в более твердых, монолитных, хрупких, неабразивных породах, минимальные – в вязких, пластичных, трещиноватых, абразивных породах. В процессе бурения по мере износа зубьев долота (увеличения площади контакта) рекомендуется плавно увеличивать осевую нагрузку для поддержания стабильной скорости углубки, при бурении штыревыми долотами этого не требуется.

Кроме забойных факторов при выборе величины осевой нагрузки следует учитывать, что с ростом осевой нагрузки резко увеличивается возможность искривления скважины, особенно при бурении двухшарошечными долотами (если не применяются утяжеленные бурильные трубы - УБТ).

Частота вращения долота.

При бурении шарошечными долотами, (как и в большинстве остальных разновидностей вращательного бурения), существует прямая зависимость скорости углубки от частоты вращения, но существует и обратная зависимость ресурса долота от частоты вращения, т.е. c ростом частоты вращения выше определенного значения резко возрастает износ и опор и вооружения долота, особенно опор. (Рис. 34 б). Последнее связано с тем, что шарошка, имея диаметр в 2 – 3 раза меньше чем диаметр долота, вращается, соответственно, в 2 – 3 раза быстрее самого долота.

а	б
Рис. 34

Рекомендуется выбирать частоту вращения долота исходя из окружной скорости V_окр. = 0,8 ÷ 2,0 м/с. В среднем V_окр. = 1,0 ÷ 1,4 м/с. Для долот геологоразведочного бурения (D_дол. = 46 ÷ 151 мм) это составляет примерно 100 – 600 об/мин. Большие значения частоты вращения допустимы в слабых и мягких породах, меньшие – в твердых и абразивных породах. При бурении в трещиноватых породах рекомендуется снижать частоту вращения на 30 – 40%, в абразивных породах желательно, чтобы V_окр. не превышала 1,0 м/с.

Расход очистного агента.

Поскольку основная область применения шарошечных долот, бурение в скальных породах, в которых объем шлама в единицу времени значительно меньше, чем при бурении лопастными долотами и пикобурами в мягких породах, то величина расхода очистного агента здесь не имеет первостепенного значения. Расход очистного агента должен обеспечить своевременную и полную очистку забоя от уже отделенных частиц породы и вынос шлама по стволу скважины. Для решения первой задачи рекомендуется при промывке подавать на забой 7 – 15 л/мин/1 см диаметра долота в зависимости от скорости углубки (скорости образования шлама). Для выноса шлама по стволу скважины рекомендуется выбирать расход по скорости восходящего потока - V_вп. = 0,4 ÷ 0,8 м/с. Большие значения рекомендуемого расхода относятся к более слабым и мягким породам, где естественно образуется больше шлама в единицу времени. Кроме того, долота типа М часто имеют гидромониторные насадки, и увеличение расхода промывочной жидкости усиливает разрушение породы за счет энергии струй жидкости. В качестве промывочной жидкости при бурении шарошечными долотами желательно применять жидкость со смазывающими свойствами – эмульсии, полимерные жидкости, малоглинистые растворы со смазывающими добавками. При бурении с продувкой следует применять долота с герметичными маслонаполненными опорами, добавлять в воздух масло для образования «масляного тумана». Применение продувки, за счет улучшения очистки забоя, позволяет увеличить скорость бурения шарошечными долотами до трех раз.