Технология колонкового бурения. Бурение колонками, армированными твердослпавными резцами

Твердые сплавы

Для бурения скважин в основном применяются вольфрамово-кобальтовые металлокерамические твердые сплавы типа ВК, основой которых является карбид вольфрама.

Химический состав и физико-механические свойства металло-керамических вольфрамово-кобальтовых твердых сплавов ВК.

При колонковом бурении наиболее часто применяются сплавы марок ВК-6 и ВК-8.

Для армирования буровых коронок выпускаются резцы различных конфигураций.

В короночное кольцо закрепляют основные и подрезные резцы. Они припаиваются латунью. Основные резцы должны перекрывать торец коронки и выступать за наружную и внутреннюю боковые поверхности корпуса, а также возвышаться над торцом.

Выход резцов за наружную и внутреннюю поверхности необходим для образования при бурении зазоров между керном и внутренней поверхностью колонковой трубы, а также между наружной поверхностью колонкового снаряда и стенками скважины.

Величина выхода резцов за наружную и внутреннюю поверхности корпуса коронки принимается в зависимости от твердости пород, их устойчивости и скорости углубления. Для бурения в твердых породах резцы в коронке устанавливаются с таким расчетом, чтобы они выступали за наружную и внутреннюю поверхности на 0,5 - 1,0 мм, а над торцом - на 1,5 - 2,5 мм. Для бурения мягких пород резцы должны выступать за боковые поверхности на 3 - 6 мм и возвышаться над торцом на 5 - 6 мм.

Выпуск резцов над торцом короночного кольца может быть одинаковым или ступенчатым. В зависимости от расположения резцов над торцом коронки забой скважины приобретает плоскую, одно- или многоступенчатую форму. Ступенчатая форма забоя обеспечивает более эффективное разрушение породы.

Относительно оси вращения коронки расположение резцов в торце короночного кольца может быть параллельным, наклонным в сторону вращения коронки с положительным передним углом - против направления вращения. При положительных углах резания наблюдается некоторое повышение скорости бурения в "мягких "Породах, а" при отрицательных - в твердых малоабразивных породах.

Рекомендуется применять резцы:

• с углом заострения 45 - 50° - для бурения нетрещиноватых пород I - IV категорий;
• с углом заострения 65° - для бурения пород V - VII категорий.

Резцы самозатачивающихся коронок не имеют начальных углов заострения и не затачиваются.

Бурение в мягких породах

Рыхлые и мягкие породы I - III и отчасти IV категорий бури-мости (пески, лёсс, мел, мергель, глины, суглинки) быстро разрушаются резцами коронок, при этом стенки скважины часто получаются малоустойчивыми, а керн легко размывается и разрушается.

При детальной разведке эти породы целесообразно бурить сплошным забоем с помощью пикобуров. При этом резко увеличивается проходка на рейс.

Коронки с ромбическими и косоугольными резцами твердого сплава ВК-8 служат в основном для бурения в мягких выпучивающихся породах. Резцы армируются так, чтобы забой получился ступенчато-гребенчатой формы. Для обеспечения лучшей циркуляции жидкости и эффективного выноса выбуриваемого шлама резцы должны выступать за боковые поверхности корпуса коронки на 3 - 6 мм на сторону. Возвышение резцов над торцом может быть в пределах от 3 до 5 мм.

Ребристые ступенчатые коронки типа КР должны применяться для проходки мягких, неоднородных по твердости и вспучивающихся пород. Особенно эффективно в мягких породах бурят ребристые коронки типа КР-4 и КР-5. Эти коронки оснащаются ребрами-резцедержателями, выбуривающими гребенчатый ступенчатый забой.

Коронки КР-4 армируются твердосплавными резцами малой ширины, формы 2603, 2607, 2609. Коронки КР-5 армируются пустотелыми восьмигранными резцами.

Коронки КР-4 и КР-5 имеют большой выход ребер из-под торца и за боковую поверхность короночного кольца, это позволяет применять интенсивную промывку забоя скважины, что необходимо при форсированных режимах бурения.

Режим бурения в мягких породах устанавливается опытным путем в соответствии с физическими свойствами пород - их вязкости, плотности, абразивности, наличия твердых включений и т. п. Нагрузку на коронку диаметром 92 - 112 мм дают в пределах от 400 до 800 - 1000 кГ. Чем больше резцов в коронке, тем больше должна быть нагрузка на коронку. По мере затупления резцов полезно нагрузку на коронку постепенно повышать. Скорость вращения коронки принимается в пределах 120 - 250 об/мин. Промывка скважины ведется глинистым раствором. Количество промывочной жидкости, подаваемой буровым насосом, принимается из расчета скорости восходящего потока от 4 до 7 дм/сек тем выше, чем больше скорость бурения.

При бурении ребристыми коронками зазор между колонковой трубой и стенкой скважины значителен. Это может вызвать искривление скважины. Поэтому следует рекомендовать установку центрирующих устройств выше колонкового снаряда.

Если не требуется извлекать керн, то в мягких породах целесообразно применять бурение сплошным забоем с помощью долот РХ и пикобуров. В породах I - III категорий можно применить лопастное долото типа РХ. Это долото изготовляют из углеродистой стали, лопасти и ребра этого долота укрепляют твердым сплавом.

Лезвие долота РХ обычно заправляют под углом резания 80 - 85°.

В породах III - V категорий эффективно бурят долотами типа пикобуров, режущие и боковые кромки которых армируют заточенными твердосплавными резцами.

При бурении долотами типа РХ и пикобурами придерживаются следующих параметров режима бурения.

При бурении сплошным забоем нагрузка на долото может достигать величины 2 - 2,5 т. Чтобы не искривить скважину, необходимо между долотом и колонной бурильных труб устанавливать УБТ.

Бурение в породах средней твердости

В породах IV - VII категорий по буримости обычно применяются коронки с заточенными резцами. В таких породах, как известняки, доломиты, алевролиты, аргиллиты и глинистые сланцы (породы IV - VII категорий) широко применяются коронки типа СМ-1 (ГОСТ 9431 - 60). Эти коронки армируются призматическими резцами размером 4x4x10 мм (форма 1303) с углом приострения 65°. Резцы в короночное кольцо вставляются ориентированно, так что их передние грани образуют двугранно-отрицательные углы и наклонные режущие кромки. Средние резцы возвышаются над торцом на 4 мм, внутренние на 3,5 мм, наружные на 2,5 мм. Благодаря ориентированной вставке резцов и ступенчатому их расположению эти коронки дают высокие механические скорости бурения. Наружные и внутренние диаметры коронок: 151/132, 132/113, 112/93, 93/74 и 76/58 мм.

Для бурения в абразивных породах выпускаются коронки конструкции МР-2НП-1, в которых для повышения стойкости вставляются в промывочных пазах дополнительные наружные подрезные резцы.

Для проходки трещиноватых и переслаивающихся пород применяются коронки типа СТ-1 с вертикально установленными восьмигранными резцами (формы Г-53)).

При бурении в породах средней твердости придерживаются следующих параметров режима бурения.

Нагрузка на коронки типа СМ-1 и МР-2-НП-1 подбирается из расчета давления на 1 резец 60 - 80 кг.

При бурении коронками с восьмигранными резцами давление на 1 резец принимается 100 - 140 кг. Скорости вращения коронок 150 - 260 об/мин. При бурении в трещиноватых абразивных породах скорости вращения снижаются. Промывка подбирается из расчета 1 - 1,2 л/мин на 1 мм диаметра коронки.

Бурение в твердых породах

При бурении в породах VII категории и в бескварцевых породах VIII - IX применяют самозатачивающиеся коронки. В абразивных породах хорошо себя зарекомендовали коронки типа СА (ГОСТ 9790-61).

Режущими элементами коронки типа СА являются тонкие твердосплавные пластинки толщиной 0,7 мм и шириной 9,5 мм, припаянные к стальным опорным пластинкам, закрепленным в гнездах коронки.

Для повышения износоустойчивости коронки СА по наружной и внутренней цилиндрическим поверхностям армированы подрезными пластинками (сечение у основания 1,3x2,5, в верхней части 1,3 X 1 мм).

В коронках СА применены твердые сплавы марок ВК-6 и ВК-3 и опорные пластинки из углеродистой стали марки 45.

В Донбассе при бурении по песчаникам, песчанистым сланцам и алевролитам (V - VIII категории) успешно применяют коронки типа БКМ.

Основными режущими элементами этого типа коронок являются резцы диаметром 2 мм, вставленные в цилиндрические штабики из мягкой стали диаметром 9 мм. Штабики укрепляются в теле короночного кольца.

В коронку БКМ диаметром 92 мм вставляется восемь штабиков диаметром 9 мм; четыре - с тремя иголочками твердого сплава и четыре с двумя (по очереди через один). Тело штабика выступает над торцом короночного кольца на 2 мм, а иголочки над торцом штабика на 4 - 5 мм.

Для повышения износостойкости коронки по диаметру в тело короночного кольца впаиваются заточенные подрезные резцы восьмигранной формы (Г-53) твердого сплава ВК-8.

Коронками БКМ проходили в породах VI категории за один рейс до 10 м. Проходка на коронку достигала 20 - 25 м. Коронка БКМ позволяет ставить кернорватель и производить срыв керна, не применяя заклинки его битым стеклом или камнем.

За последние годы при бурении пород VI - VIII категорий буримости успешно применяют микрорезцовые коронки типа БТ-4 и БТ45-а. Режущими элементами коронок БТ-4 являются заостренные твердосплавные пластинки ВК-6 размером 1,8 X 1,8 х 18 мм, закрепленные в опорных стальных пластинках, образуя комбинированные гребенчатые резцы.

Параметры режима бурения должны уточняться в процессе разведки месторождения. Оптимальный режим должен обеспечивать высокую механическую скорость бурения до наполнения колонковой трубы керном при хорошем его выходе.