Шарошечное бурение

Шарошечное бурение осуществляется долотами, имеющими в качестве разрушающего органа конусообразные шарошки с зубьями (зубчатые долота) или штырями, армированными твердыми сплавами (штыревые долота) (рис. 3.7).

Рисунок 3.7 - Шарошечные долота

Принцип бурения состоит в том, что при вращении долота шарошки перекатываются по забою, их зубки (штыри) внедряются в породу и разрушают ее. Процесс внедрения зубков в породу происходит под действием большого осевого усилия, передаваемого на забой через буровой став.

По сравнению с режущим буровым инструментом шарошечные долота имеют большую площадь рабочей поверхности при меньшей площади контакта в каждый момент времени. Внедрение зубьев при перекатывании шарошек происходит кратковременно, поэтому работа сил трения и износ зубьев оказываются гораздо меньшим, чем у режущих долот. Этот способ эффективен при бурении в породах различной крепости.

Разрушенная порода удаляется из забоя скважины сжатым воздухом или воздушно-водяной смесью.

По массе и развиваемому усилию подачи станки шарошечного бурения подразделяются на:

• легкие - масса до 40 т, усилие подачи до 200 кН, диаметр скважины 150-220 мм, рациональная область применения - породы с Пб=6-10, станок СБШ-160;
• средние - масса до 65 т, усилие подачи до 350 кН, диаметр скважины 220-270 мм, Пб=10-14, станки 2СБШ-200Н, 3СБШ-200, СБШ-250МН;
• тяжелые - масса до 120 т, усилие подачи до 700 кН, диаметр скважины 320-400 мм, Пб>14, станки СБШ-320, СБШ-400.

Основными технологическими операциями при бурении скважин шарошечными станками являются:

• передвижение к месту бурения и установка станка для бурения;
• подъем и разборка бурового става и смена бурового инструмента;
• наращивание бурового става в процессе бурения.

Последовательность и продолжительность операций бурения скважин зависит от кинематической схемы вращательно-подающего механизма бурового станка. Для увеличения стойкости долот и применения систем автоматического регулирования режимов бурения необходима плавная регулировка усилий подачи и частоты вращения, что обеспечивается применением в качестве привода вращателя двигателей постоянного тока.

В общих затратах на бурение скважин от 20 до 45% составляют расходы на буровой инструмент. От правильного выбора долота в значительной степени зависит их стойкость, скорость бурения и затраты на бурение. Выбор типа шарошечных долот производится в зависимости от прочностных свойств пород (категории по буримости) с учетом абразивности. Обычно применяются трехшарошечные зубчатые, штыревые или комбинированные долота, имеющие каналы для продувки скважины и каналы для смазки опор шарошек, которые вращаются на консольных осях с подшипниками.

Стойкость шарошечных долот в зависимости от категории буримости и особенно абразивности пород может составлять от 100 до 2000 м. Применение смазки шарошек увеличивает их стойкость в 1.5-2 раза.

Вращение и усилие подачи на шарошечное долото передают пустотелые буровые штанги, по которым поступает воздух и воздушно-водяная смесь для очистки скважины от буровой мелочи и охлаждения долота. Диаметр штанги должен быть на 35-50 мм меньше диаметра долота для нормального выноса буровой мелочи в затрубном пространстве.

Режим шарошечного бурения определяется следующими параметрами:

• осевое усилие на долото;
• частота вращения долота;
• расход воздуха для очистки забоя скважины от буровой мелочи и охлаждения долота.

Бурение шарошечными долотами эффективно лишь в случае достаточного осевого давления (усилия подачи). В связи с этим процесс разрушения породы может быть:

• поверхностным - контактное давление зубков на породу значительно ниже предела прочности породы;
• усталостным - разрушение происходит после нескольких ударов зубков по одному и тому же месту;
• объемным - контактное давление достигает предела прочности породы.

Зависимость скорости бурения от усилия подачи показана на рис. 3.8.

Рисунок 3.8 - Зависимость скорости шарошечного бурения V_b от усилия подачи на долото P_o

При очень большом усилии подачи (P_o > P_k) скорость бурения практически не увеличивается из-за ухудшения очистки забоя скважины от буровой мелочи при постоянных расходах воздуха. К тому же такие большие усилия подачи в современных буровых станках не достигаются. Поэтому необходимо применять усилия подачи, максимально возможные по надежности опор шарошек и массе станков (9-22 кН на 1 см диаметра долота). При бурении наклонных скважин усилие подачи снижают на 20-25% для предотвращения смещения станка.

С увеличением частоты вращения долота n техническая скорость бурения V_b повышается, но существенно снижается стойкость долота (рис. 3.9).

Рисунок 3.9 - Зависимость скорости шарошечного бурения V_b (1) и стойкости долот S_d без смазки опор (2) и при смазке их (3) от частоты вращения долота n.

Ориентировочно техническую скорость шарошечного бурения (м/ч) можно определить по формуле:

,

3.2

где Р_о - усилие подачи, кН;
n - частота вращения бурового става, об/с;
D - диаметр долота, м;
П_б - показатель трудности бурения породы.