Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Глава 3. Породоразрушающий инструмент

Глава 3. Породоразрушающий инструмент

Скважина углубляется вследствие отделения частиц породы от массива в пределах забоя и последующего их удаления. При механических способах бурения диспергирование горной породы на забое происходит при непосредственном динамическом воздействии породоразрушающего инструмента. Посредством породоразрушающего инструмента в отдельных точках забоя на фоне существующего напряженного состояния создается концентрация напряжений. Если напряжение превосходит предел прочности горной породы в данном ее состоянии и при сложных условиях деформирования, то она разрушается. Процесс разрушения распространяется в горной породе на небольшую глубину, поэтому пользуются специальным термином " разрушение в приповерхностном слое".

Интенсивность концентрации напряжений зависит от размеров площади контакта, формы и состояния рабочего органа (индентора). Концентрации напряжений способствуют пористость и трещиноватость горных пород в ограниченном объеме, примыкающем непосредственно к поверхности забоя.

Специфические особенности процесса разрушения определяются в зависимости от механических свойств горных пород, в первую очередь от их прочности, твердости, пластичности, хрупкости и других.

По характеру превалирующего процесса разрушения горной породы весь породоразрушающий инструмент может быть подразделен на следующие классы: режущего и режуще-скалывающего действия, скалывающего и дробяще-скалывающего, дробящего и истирающего действия.

На конструкцию породоразрушающего инструмента, помимо реализуемого способа разрушения горной породы, большое влияние оказывает его назначение. По назначению породоразрушающий инструмент можно подразделить на следующие группы:

- инструмент для бурения с отбором керна. При работе инструментом этой группы горная порода разрушается по кольцевому забою. В осевой части забоя формируется целик породы в виде колонки, который затем под названием " керн" извлекают на поверхность. В зависимости от конструктивных особенностей различают коронки и бурильные головки;

- инструмент для бурения без отбора керна. Он разрушает горную породу по всему забою и предназначен для проходки ствола скважины. Инструмент, принадлежащий к этой группе, называют долотом;

- инструмент специального назначения или, иначе, долота специального назначения. Их применяют для разбуривания цементных пробок в трубах, искривления скважин, разрушения попавших на забой посторонних металлических предметов, расширения ствола скважины и выполнения различных вспомогательных работ.

При разработке конструкции породоразрушающего инструмента стремятся достигнуть его высокой эффективности, долговечности и экономичности.

3. 1. Твердосплавные коронки и технология бурения.

Твердосплавными коронками бурится почти половина всего объема разведочных колонковых скважин. Наличие различных типов коронок позволяет проходить как мягкие осадочные породы I-IV категории, так и более твердые метаморфизированные, изверженные породы V-VII и частично VIII-IX категорий по буримости. Эффективное разрушение горной породы твердосплавными коронками достигается за счет рационального подбора состава твердого сплава, геометрии резцов, их расположения по торцу коронки, развитой промывочной системы и оптимального сочетания параметров режима бурения.

Твердосплавная коронка состоит из металлического цилиндрического корпуса на одном конце которого имеется наружная резьба для соединения с колонковой трубой, а на другом в пазах установлены твердосплавные пластины – резцы. Резцы должны перекрывать торец и выступать за наружную и внутреннюю боковые поверхности корпуса коронки, а также возвышаться над торцом. Величина выхода резцов за наружную и внутреннюю поверхности корпуса коронки принимается в зависимости от твердости пород, их устойчивости и скорости углубления. Для бурения мягких пород резцы должны значительно выступать за боковые поверхности и возвышаться над торцом на 4-5 мм и более. Для бурения в твердых породах резцы в коронке выступают за наружную и внутреннюю поверхности на 0, 5-1, 0 мм, а над торцом на 1, 5-2, 5-3 мм. В зависимости от выпуска торцевых резцов забой может быть плоским, одно- или многоступенчатым. Ступенчатая форма забоя, как уже отмечалось, обеспечивает более эффективное разрушение горной породы.

Резцы в коронке в вертикальной плоскости могут располагаться вертикально, с наклоном в сторону вращения коронки с положительным передним углом и наклоном против направления вращения с отрицательным передним углом δ (рис. 3. 1). Положительный угол обеспечивает повышение скорости бурения в мягких породах, а отрицательный – в твердых. В зависимости от твердости горных пород меняется и угол заострения резца Для бурения мягких пород I-IV категорий по буримости угол заострения его принимается равным 45-50^о, а в породах V-VII категорий по буримости – 65^о. В некоторых самозатачивающихся коронках угол заострения у резцов отсутствует.

Резцы в горизонтальной плоскости могут быть повернуты относительно радиуса коронки на угол γ. Такая вставка резца называется ориентированной. При этом по ходу вращения коронки резец образует двугранный угол, что повышает прочность резца и эффективность разрушения пород средней твердости и трещиноватых с пропластками более твердых.

Корпус твердосплавных коронок изготовляется из стали марок 30, 35 или 40 по ГОСТ 1050-74 или Ст. 4 по ГОСТ 380-71. Указанные стали обеспечивают достаточную прочность корпуса и хорошо смачиваются припоем в процессе пайки.

Ребра ребристых коронок изготовляются из тех же марок сталей, что и их корпуса. Вкладыши и установочные пластины изготовляют из сталей марок 10, 20 и 35 по ГОСТ 1050-74 или Ст. 3 ГОСТ 380-71. Для изготовления резцов применяются вольфрамо-кобальтовые металлокерамические твердые сплавы типа ВК, основным компонентом которых является карбид вольфрама – WС. Карбид вольфрама придает сплаву твердость и износостойкость, обеспечивает большую прочность. В зависимости от типа коронки применяются твердые сплавы с различными физико-механическими свойствами. Сравнительная характеристика твердых сплавов, применяемых в бурении, приведена в табл. 3. 1.

Твердые сплавы типа ВК-6, отличающиеся повышенной твердостью и износостойкостью, применяются для бурения более твердых и абразивных пород в коронках типа СМ и СА, а твердые сплавы ВК-8 – в коронках типа М.

Для соединения твердого сплава с корпусом коронки используются припои на медной основе (латунь-68 – Л68), выпускаемые по ГОСТ 15527-70. Латунь представлена сплавом меди (67-70%) и цинка (30-33%).

К элементам корпуса коронки следует отнести гладкую часть (1), резьбовую часть (2), конусную расточку (3), а также наружный и внутренний диаметры (рис. 3. 2).

Рис. 3. 1. Варианты расположения твердосплавных резцов коронки

а – расположение резца положительным передним углом;

б – передний угол δ =0;

в– расположение резца отрицательным передним углом;

г, д – расположение резцов в торце коронки;

α – угол резания;

β – угол заострения;

γ – угол поворота резца относительно радиуса коронки

Таблица 3. 1. Характеристика металлокерамических твердых сплавов

Марки сплава	Ориентировочный состав (без учета примесей), %		Физико-механические свойства сплава
Марки сплава	Карбид вольфрама	Кобальт	Предел прочности на изгиб, МПА	Плотность, 10³, кг/м³	Твердость HRC, не менее
ВК-6				14, 6-15	88, 0
ВК-8				14, 4-148	87, 5
ВК-15				13, 9-14, 1	86, 0
ВК-4В				14, 9-15, 1	88, 0
ВК-6В				14, 6-15, 0	88, 0
ВК-8А				14, 4-14, 8	87, 5
ВК-11В				14, 1-14, 4	86, 0

Элементы режущей части: резец или пластина твердого сплава. По расположению резцы подразделяются на основные (8), выполняющие основную работу по разрушению горной породы и подрезные: наружные, калибрующие диаметр скважины, и внутренние (9), обрабатывающие керн.

В самозатачивающихся коронках (рис. 3. 2, III) режущая часть имеет вставку, которая состоит из резца, опорной пластины, установочной пластины и оберточной пластины. Элементы резцов: передний угол, задний угол, угол заточки и угол поворота. Прочие элементы-вкладыши. Коронки, составляющие группы (I-III), отличаются конструкцией корпуса, формой резцов, их размещением и др.

Режущая часть коронок типа М (рис. 3. 2, I) выполняется в виде ребер (7) с основными (8) и подрезными (9) резцами. У коронок типов СМ, СТ (рис. 3. 2, II) и СА (рис. 3. 2, III) имеются зубки (6), вырезаемые в торцевой части корпусов, которые армируются режущими вставками (11) у коронок типа СА, и основными и подрезными резцами (8) и (9) – у коронок типов СМ, СТ и СА.

Кроме того, у коронок М в ребрах, а у коронок СМ, СТ в промывочных пазах устанавливаются дополнительные подрезные резцы, калибрующие стенки скважины и керн. У коронок СА режущая часть имеет вставку (11), состоящую из резцов (8), закрепленных на ней с помощью оберточной пластины.

Гидравлическая система коронок состоит из промывочных каналов (4) и шламовых пазов (5).

Корпус коронки (1) представляет собой кольцо, изготовляемое из трубной заготовки. Длина его независимо от диаметра должна быть не более 75 мм. Резьба имеет трапецеидальную форму, длина нарезки 30 мм. Резьба изготовляется по ГОСТ 6238-77.

Рис. 3. 2. Основные конструктивные элементы

I - коронок типа М; II – коронок типов СМ, СТ;

III коронок типа СА

Противоположный торец коронки имеет промывочные каналы (или промывочные окна). Форма каналов зависит от конструктивных особенностей коронок. Она может быть трапецеидальной, прямоугольной и овальной. Суммарная площадь промывочных каналов должна быть не менее минимальной площади сечения проходного отверстия в соединении колонны бурильных труб. Глубина промывочных каналов не превышает 10 мм. Кроме промывочных каналов в гидравлическую систему резцовых и самозатачивающихся коронок входят шламовые пазы, расположенные по наружной поверхности короночного кольца. Форма пазов в плане треугольная, их число определяется диаметром коронки. Коронки типа М выпускаются номинальных диаметров 93, 112 и 151 мм, коронки типа СМ-5 - 34, 46, 59, 76, 93, 112, 132 и 151 мм, коронки типа СМ-6 – 46, 59, 76, 93, 112, 132 и 151 мм, коронки типа СА-1 – 36, 46, 59, 76, 93, 112 и 132 мм. Основные данные по размерам и характеристике элементов некоторых типов твердосплавных коронок приведены в табл. 3. 2.

В настоящее время выпускаются 10 типов твердосплавных коронок, которые применяются для бурения разных по физико-механическим свойствам горных пород. Следует отметить, что конструктивные особенности коронок увязаны со свойствами разбуриваемых пород ( по категориям буримости). По этому признаку твердосплавные коронки подразделяются на три группы для бурения:

- мягких пород (I-IV категория);

- малоабразивных пород средней твердости (V-VII категория);

- абразивных пород средней твердости (VII, VIII и частично IX категория).

Таблица 3. 2. Основные размеры твердосплавных коронок

Тип коронки	Диаметр коронки, мм	Наружный диаметр корпуса, мм	Внутренний диаметр корпуса, мм	Ширина торца корпуса, мм	Наружный зазор, мм	Внутренний зазор, мм	Число шламовых пазов

СТ-2		44, 5			0, 75	0, 75	3-6
		57, 5	45, 5		0, 75	0, 75
				6, 5			5-12




СМ4				6, 5
				6, 5	1, 5
				6, 5	1, 5	1, 5
				6, 5	1, 5	1, 5
				6, 5	1, 5	1, 5
СА2		34, 5	22, 5		0, 75	0, 75	3-10
СА2		44, 5	32, 5		0, 75	0, 75
СА5		57, 5	44, 5		0, 75	0, 75
СА5				6, 5			4-8
СА6
				6, 5	1, 5
				6. 5
СА4			22, 5		0, 75	0, 75
		57, 5	45, 5		0, 75
				6, 5
				6, 5	1, 5
				6, 5	1, 5
				6, 5	1, 5

Характерными признаками коронок для бурения мягких пород является наличие ребер на боковой поверхности, что обеспечивает максимальные зазоры между колонковой трубой и стенками скважины и хорошую очистку забоя скважины от шлама. За счет этого достигаются и лучшие показатели бурения в мягких пластичных и малосвязных породах. По конструктивному признаку эти коронки называются ребристыми. Их характеристики приведены в табл. 3. 3.

В коронках для бурения малоабразивных пород средней крепости основное влияние на показатели бурения оказывает форма резца, его размеры, расположение по торцу коронки. Коронки этого типа называются резцовыми (тип СМ).

Для бурения абразивных пород средней крепости применяются самозатачивающиеся коронки (тип СА). В этих коронках применяются мелкие резцы, а торец коронки имеет достаточную насыщенность резцами, что обеспечивает их самозатачивание в процессе бурения.

Рис. 3. 3. Коронка М5 1 – корпус; 2 – ребра; 3 – твердосплавные пластины

Рис. 3. 4. Коронки СМ-4 и СМ-6 1 – корпус; 2 – центральный резец; 3 и 4 подрезные резцы (наружный и внутренний)

Таблица 3. 3. Характеристика ребристых коронок

Тип	Диаметр, мм		Количество ребер	Количество твердосплавных резцов, шт			Масса коронки, кг
Тип	наружный	внутренний	Количество ребер	по торцу	калибрующих	всего	Масса коронки, кг
М5-93							1, 05
М5-112							1, 30
М5-132							1, 70
М5-151							1, 80

С учетом выше перечисленных признаков твердосплавные коронки подразделяются на следующие группы:

- ребристые коронки для бурения мягких пород М5(ГОСТ 10502-69) (рис. 3. 3);

- резцовые коронки для бурения малоабразивных пород средней твердости (гладкостенные): СМ4, СМ5, СМ6, СТ2 (ГОСТ 11108-70) (рис. 3. 4); из них коронки СТ2 применяются при бурении в трещиноватых породах;

- самозатачивающиеся коронки для бурения абразивных пород средней твердости (гладкостенные): СА1, СА2, СА4; (ГОСТ 11108-70), СА5 ТУ 41-61-289-77 и СА6 ТУ (рис. 3. 5).

самозатачивающиеся коронки по типу резцов и их расположению подразделяются на микрорезцовые СА2 (рис. 3. 5), СА5 и СА6, то иконопластинчатые СА1 и комбинированные СА4, в которых содержатся элементы резцовых и самозатачивающихся коронок.

Рис. 3. 5. Коронка СА2

1 – основной резец; 2 - опорная пластина; 3 – оберточная пластина; 4 – подрезной резец; 5—установочная пластина

Технология бурения твердосплавными коронками включает целый комплекс вопросов, связанных с бурением скважины, с получением и сохранением керна, предупреждением и искривления скважины и ряд других.

При твердосплавном бурении по монолитным и слаботрещиноватым породам колонковый набор состоит из фрезерного переходника, колонковой трубы и коронки. В сильно трещиноватых и малосвязных породах для повышения выхода керна применяются двойные колонковые трубы. Тип коронки подбирается на основании анализа физико-механических свойств горных пород, слагающих разрез скважины. Особое внимание уделяется абразивным, прочностным свойствам горных пород, их трещиноватости и устойчивости.

Производительность бурения твердосплавными коронками зависит от технологических параметров режима бурения: осевой нагрузки на коронку, частоты вращения бурового снаряда и расхода очистного агента.

Необходимо стремиться к оптимальному сочетанию этих параметров, которые могут обеспечить максимальную механическую скорость бурения при минимальной стоимости метра скважины.

Анализ количественных значений параметров режима бурения, проводимый многими организациями и исследователями, позволил установить следующие закономерности.

Осевая нагрузка оказывает сложное влияние на механическую скорость бурения. Установлена зависимость между механической скоростью бурения и осевой нагрузкой, которая имеет вид параболы. Увеличение осевой нагрузки вызывает повышение механической скорости бурения, но только до критического значения нагрузки. Затем наблюдается снижение скорости бурения. Критическое значение осевой нагрузки определяется прочностными характеристиками горной породы и твердого сплава. Повышение осевой нагрузки вызывает упругие деформации в колонне бурильных труб, появление вибраций в буровом снаряде и сколов в резцах твердосплавной коронки. При этом износ коронки увеличивается.

При практических расчетах осевой нагрузки пользуются удельным значением осевой нагрузки, приходящейся на один резец для коронок резцового типа или на одну вставку для самозатачивающихся коронок. Расчет осевой нагрузки (даН) на твердосплавную коронку выполняется по формуле

Р=р · m, (3. 1)

где р –нагрузка на 1 резец, даН; m – число основных резцов или вставок в коронке.

В табл. 3. 4. приведены рекомендуемые значения рациональной удельной осевой нагрузки.

Таблица 3. 4. Удельная осевая нагрузка для разных типов твердосплавных коронок

Тип коронки	Нагрузка на 1 резец, даН
	Категория пород по буримости
	I-II	III	IV	V	VI	VII	VII
Ребристые, тип М	40-50	50-60	60-80	-	-	-	-
СМ	-	-	-	60-80	80-100	100-120	-
СА	-	-	-	100-120	120-140	140-160	160-180

Частота вращения бурового снаряда существенно влияет на показатели работы твердосплавных коронок. Эта зависимость также имеет вид параболы. Рост частоты вращения повышает механическую скорость до определенного максимума, затем наблюдается снижение скорости бурения, которое очевидно связано с износом коронок. Максимум механической скорости бурения для каждого диаметра коронки соответствует различной частоте вращения. За критерий выбора оптимальной частоты вращения коронки при бурении пород средней твердости принимается окружная скорость коронки, равная 1, 4-1, 5 м/с. Необходимая частота вращения (n) рассчитывается по известной формуле:

где D – средний диаметр коронки, м; V – окружная скорость коронки, м/с.

где D₁– наружный диаметр, м; D₂- внутренний диаметр коронки, м.

Меньшие значения окружной скорости берутся для больших диаметров, а большие значения – для малых.

При бурении скважин самозатачивающимися коронками частота вращения коронок увеличивается, приближаясь по значениям окружных скоростей до 2-2, 5 м/с. При бурении трещиноватых пород частота вращения коронок снижается на 20-40%.

При бурении мягких пород II-IV категории по буримости частота вращения коронок выбирается с таким расчетом, чтобы окружная скорость их не превышала 1, 5-2, 0 м/с; при этом предельные значения частоты вращения не должны превышать следующие:

наружный диаметр коронок, мм 93 112 132 151

предельные значения частоты вращения, мин^-1 (не более) 400 300 250 200

Указанные значения должны уменьшаться при бурении мягких пород с пропластками более твердых или с включениями валунов и галечников.

Расход промывочной жидкости должен обеспечивать вынос частиц разрушенной породы на поверхность. Он будет определяться скоростью подъема восходящего потока жидкости, которая зависит от размера частиц, их плотности и величины зазора между стенками скважины и бурильными трубами. При промывке водой скорость восходящего потока должна быть не менее 0, 25 м/с, а при бурении с глинистым раствором ее снижают до 0, 2 м/с. Тогда расход промывочной жидкости (Q) определяется по формуле

Q = F · V_{в. п.}, м³/с. (3. 3)

где F – площадь затрубного пространства, м³; V_{в. п.} – скорость восходящего потока, м/с.

Расход промывочной жидкости (м³/с) можно находить также из рекомендуемого в л/мин на 1 см диаметра коронки по формуле

Q = K · D, л/мин (3. 4)

где К – удельный расход на 1 см диаметра коронки, л/мин;

D – наружный диаметр коронки, см.

Величина К определяется опытным путем и приведена в табл. 2. 5.

Вид очистного агента выбирается в зависимости от устойчивости горных пород. В устойчивых породах V-VIII категорий по буримости применяют воду, а в условиях затрудненного водоснабжения – воздух, использование которого дает существенный прирост технико-экономических показателей бурения. В интервалах неустойчивых пород целесообразно применять глинистый раствор, а в особо осложненных условиях его обрабатывают химическими реагентами с целью регулирования структурно-механических параметров.

В табл. 3. 5. приведены рекомендации по выбору рациональных режимов бурения твердосплавными коронками различных горных пород.

Таблица 3. 5. Рациональные режимы бурения твердосплавными коронками

Категория пород по буримости	Характеристика группы горных пород	Параметры режима бурения
Категория пород по буримости	Характеристика группы горных пород	удельная нагрузка на режущий элемент, даН	окружная скорость, м/с	удельный расход жидкости, (л/мин) на 1 см диаметра коронки

I	Рыхлые неоднородные	50-20	1, 1-1, 45	14-16
II	Рыхлые неоднородные вспучивающиеся	60-30	0, 7-1, 45	12-14
II	Однородные	100-50	1, 1-2, 0	12-16
IV	Неоднородные вспучивающиеся	150-100	0, 7-1, 45	12-14
Продолжение табл. 3. 5

V	Монолитные плотные малоабразивные абразивные трещиноватые	50-40 40-30 80-60	1, 1-2, 0 0, 7-1, 45 0, 7-1, 2	14-16 12-16 7-11
VI	Монолитные малоабразивные абразивные трещиноватые	70-60 60-40 100-80	1, 1-1, 8 0, 7-1, 45 0, 7-1, 2	8-12 8-10 7-10
VII	Монолитные малоабразивные абразивные трещиноватые	100-80 80-60 120-100	0, 7-1, 6 0, 7-1, 2 0, 7-1, 2	10-12 10-14 8-10

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Воспользуйтесь поиском по сайту: