Технология колонкового бурения. Алмазное бурение

Общие сведения

Алмазное бурение с успехом может производиться в породах VII - XII категорий.

Для алмазного бурения характерно следующее:

• скважины бурятся коронками малого диаметра;
• скважины могут буриться под любым углом к горизонту;
• большие скорости вращения алмазной коронки и их высокая износостойкость;
• станки для неглубокого алмазного бурения отличаются большой быстроходностью, малым весом.

Алмазным бурением пробурены самые глубокие в мире скважины малого диаметра (ЮАР, глубина 4295 м, d = 46 мм).

Алмазы, их свойства и применение

Алмаз - минерал, состоящий из чистого углерода. Алмаз по твердости превосходит все естественные и искусственные вещества. По шкале Мооса его твердость равна 10, а абсолютная твердость его во много раз превышает твердость корунда. По Разивалю абразивная способность алмаза в 90 раз выше, чем у корунда. Объемный вес алмазов колеблется в пределах 3,1 - 3,54. Удельный вес его 3,5 - 3,6.

Вес алмаза измеряется в каратах (0,2 г). Различают два основных вида алмазов - ювелирные и технические. Ювелирные алмазы чистой воды после искусственного огранения называются бриллиантами.

Различают следующие сорта технических алмазов.

Борт (синоним - борте). К этому сорту алмазов относятся неправильные кристаллы, сростки и шарообразные лучистые агрегаты. Борты отличаются хрупкостью. Большей частью они окрашены в желтый, коричневый и серый цвета. Удельный вес бортов 3,5 - 3,6.

Балласы являются разновидностью борта, но имеют шарообразную форму и лучистое строение. Обычно центральная часть их обладает крупнокристаллической структурой, а оболочка - мелкозернистым строением и повышенной твердостью. Балласы имеют удельный вес 3,5.

Карбонадо (карбонаты, черные алмазы) представляют собой тонкозернистые непрозрачные агрегаты овальной формы с алмазным блеском; окрашены они в темные цвета: серый, черный и реже зеленый. Эти технические алмазы обладают наименьшей хрупкостью.

Объемный вес карбонадо колеблется в пределах от 3,1 до 3,45. Карбонадо с объемным весом менее 3,2 пористы и быстро истираются. Карбонадо с объемным весом более 3,45 являются уже переходными к крупнокристаллическим, более хрупким.

Для изготовления алмазных коронок до 1928 - 1935 гг. употреблялись главным образом крупные карбонадо весом от 1 до 2 карат, которые зачоканивались в коронки вручную.

В связи с большим удорожанием карбонадо в настоящее время для алмазного бурения применяются борты, главным образом мелкие.

Поэтому коронки, армированные мелким бортом, называются мелкоалмазными, изготовляются они заводским путем.

В настоящее время в отечественной буровой практике, как и за рубежом, в буровом инструменте, кроме природных необработанных алмазов, используются также низкокачественные алмазы, которые подвергаются соответствующей механической, термической и другим видам обработки для повышения их механической прочности. При облагораживании алмазов большое внимание уделяют снятию внутренних напряжений, овализации алмазов с последующим полированием.

Следует указать, что ныне отечественной промышленностью в больших объемах изготовляются синтетические алмазы, широко используемые в машиностроении и приборостроении как абразивный материал. Проведенные опыты по применению крупных синтетических алмазов для армирования коронок дают обнадеживающие результаты.

Освоено изготовление сверхтвердого сплава боразон, обладающего очень высокой твердостью. Он выдерживает температуру выше 1900° (алмаз в кислородной среде сгорает при температуре 900°).

Алмазные коронки и их применение

Алмазные коронки делятся на два основных вида:

• сплошные коронки для бескернового бурения (алмазные долота);
• кольцевые коронки, выбуривающие керн.

На геологоразведочных работах применяются только кольцевые коронки. Однако при бурении по изученному разрезу целесообразно применять коронки для бескернового бурения,особенно в породах VI, VII, VIII и IX категорий, где этими коронками за один рейс можно проходить десятки и сотни метров.

Для изготовления бескерновых коронок применяются тщательно отобранные алмазы борт весом от V10 до V40 карата.

Достоинство бескерновых коронок состоит в том, что они позволяют бурить скважины глубиной в несколько десятков метров за один рейс (инструмент извлекается только после доведения скважины до конца).

Кроме того, бескерновые коронки малого диаметра (36 - 46 мм) позволяют бурить с очень большим числом оборотов (2000 - 3000 об/мин), что обеспечивает весьма высокую производительность.

Кольцевые алмазные коронки применяются, когда в процессе бурения необходимо получить керн, и для бурения скважин в самых крепких породах (XI и XII категорий), где бурение кольцевым забоем более экономично, чем бурение сплошным забоем (меньший расход алмазов).

Алмазные кольцевые коронки не позволяют использовать всех преимуществ бурения на больших скоростях вращения, так как возникающая при этом вибрация приводит к частым самозаклинкам керна.

По способу распределения алмазов на рабочем торце коронки делятся на:

• однослойные;
• многослойные;
• импрегнированные.

Однослойные и многослойные коронки армируются алмазами борт с зернистостью от 5 до 60 шт. на 1 карат. В американской практике алмазами с зернистостью от 5 до 20 камней на 1 карат армируют коронки для бурения пород не особенно твердых, алмазами с зернистостью от 25 до 40 камней на карат - для бурения твердых пород, алмазами зернистостью свыше 50 шт. на 1 карат армируются коронки для бурения крепких абразивных пород. В одну коронку диаметром 46 мм вставляют 8 - 10 карат алмазов. В однослойных коронках алмазы распределяются на рабочем торце коронки таким образом, чтобы вставленные в матрицу алмазные зерна обеспечивали равностойкость рабочего торца коронки. В зависимости от диаметра коронки и величины алмазных зерен последние располагаются по торцу коронки шестью, семью и девятью рядами с таким расчетом, чтобы каждая кольцевая борозда, выбуриваемая алмазами на забое, перекрывалась не менее чем четырьмя алмазными зернами. Примерно 60% алмазов закрепляются в рабочем торце коронки, а 40 % боковых (подрезных) - для калибрования стенок скважины и керна. В качестве подрезных алмазов используются алмазы первого сорта или овализованные. Зерна алмазов должны быть на 70 - 75 % погружены в матрицу; при этом сплав матрицы,должен прочно сцепляться с алмазными зернами.

В многослойных коронках алмазные зерна одного слоя размещаются в промежутках между зернами соседних слоев.

Найдено средство повышения износоустойчивости однослойных алмазных коронок. Дело в том, что имеется возможность находить те грани алмазов, которые являются наиболее твердыми, а следовательно, и пригодными для использования их в качестве резцов.

Поэтому алмазы могут устанавливаться при армирован и л в коронки таким образом, чтобы вектора наибольшей твердости алмазных кристаллов, имеющих форму ромбических додекаэдров, октаэдров и кубов, были ориентированы в направлении резания породы с отрицательным углом около 15°.

Коронки с ориентированными алмазами изнашиваются значительно медленнее и дают возможность бурить с более высокой механической скоростью.

Большое значение для скорости бурения и стойкости алмазных коронок имеют промывочные канавки в рабочем торце коронок, предназначенные для пропуска воды, охлаждающей алмазы и смывающей шлам с забоя.

Обычно однослойными коронками бурят в породах с незначительным или средним содержанием кварца. В тонкозернистых кварцитах и джеспилитах и подобных им породах однослойные алмазные коронки быстро зашлифовываются, поэтому по таким ;.иродам выгоднее бурить многослойными и импрегнированными коронками.

Импрегнированные коронки оснащают более мелкими алмазами зернистостью от 80 до 200 шт. на карат. В импрегнированных коронках мелкие зерна алмазов должны быть равномерно распределены в цементирующем сплаве по всей высоте кольцевой матрицы. Концентрация алмазов составляет от 1,5 до 2,0 карата на 1 мм высоты алмазосодержащей матрицы.

Качество алмазов для импрегнированных коронок имеет меньшее значение, чем для однослойных. Поэтому для импрегнированных коронок часто применяются дешевые дробленые алмазы.

Износ импрегнированной коронки зависит от качества ее матрицы: чем тверже матрица, тем меньше расход алмазов, тем дольше работает коронка, но и тем меньше скорость бурения.

Импрегнированные коронки с твердой матрицей целесообразно применять для бурения абразивных пород; такие коронки в процессе бурения абразивных пород самозатачиваются, но при бурении крепких малоабразивных пород зашлифовываются и их приходится периодически затачивать при помощи пескоструйного аппарата.

Алмазосодержащая матрица бывает либо литой из сплавов с сравнительно низкой температурой плавления или приготовляется методом порошковой металлургии. Для приготовления матриц применяют бериллиевую бронзу, вольфрамово-медно-алюминиевый сплав, сплав карбида вольфрама с кобальтом и др. Проводятся опыты по применению пластмассовых и резиновых матриц. За рубежом обращают особое внимание па выбор материала матриц. Чаще матрицы изготовляются методом порошковой металлургии. Чем абразивнее порода, тем коронка должна иметь более износоустойчивую матрицу.

Сплав матрицы должен:

• обладать высокой теплопроводностью, чтобы способствовать быстрому отводу тепла от торца коронки во время бурения;
• прочно сцепляться с алмазными зернами, что обусловливается близкими значениями коэффициентов расширения материала матрицы и алмазных зерен;
• образовываться в течение непродолжительного времени при температуре, исключающей графитизацию алмазов.

Технология алмазного бурения

Алмазные коронки имеют небольшой диаметр, поэтому бурильные трубы должны иметь ниппельные соединения.

Для коронок диаметром 36 и 46 мм применяются штанги диаметром 33,5 и 42 мм соответственно; для коронок 59 и 76 мм диаметром 50 мм.

Коронка, колонковая труба, переходник и нижние штанги должны быть после свинчивания соосны и прямолинейны. При бурении в крепких породах между коронкой и колонковой трубой необходимо включать алмазный расширитель для калибровки ствола. Это уменьшит время на разбурку скважины и увеличит работоспособность алмазной коронки.

Для борьбы с искривлением скважины рекомендуется ставить второй алмазный расширитель между колонковой трубой и переходником.

В процессе бурения у алмазной коронки уменьшается наружный диаметр, а внутренний диаметр увеличивается. Следовательно, увеличивается и диаметр керна. Поэтому, прежде чем опускать в скважину новую, еще не работавшую коронку, необходимо предварительно проработать забой скважины крестовым долотом для того, чтобы разрушить оставшийся керн. Если не провести такой операции, внутренние алмазы коронки могут быть разрушены керном. При бурении бескерновыми коронками эта операция отпадает.

Спуск инструмента с алмазной коронкой следует производить без толчков и ударов, чтобы не повредить алмазов. Новую, еще поработавшую коронку надо спускать особенно осторожно, при спуске наблюдать, не зажимается ли новая коронка в суженной внизу скважине. Если коронка защемляется, надо приподнять ее и приступить к разбурке скважины - иначе можно сколоть наружные алмазы. Коронку на забой необходимо ставить осторожно, без толчков и ударов.

По данным зарубежной практики, бурение мелкоалмазными коронками диаметром 46 и 36 мм можно вести при 750 - 1500 об/мин. При больших скоростях вращения колонна бурильных труб может сильно выбрировать, что снижает стойкость алмазной коронки. Для уменьшения вибрации бурильные трубы снаружи смазываются специальным густым составом, содержащим канифоль, нигрол, животный жир и др. С увеличением крепости и абразивности породы число оборотов коронки уменьшают. При глубоком бурении скорость вращения снижается до 150 - 250 об/мин.

При постановке на забой новой коронки дают вначале небольшое осевое усилие (150 - 200 кг) и малую скорость вращения; по мере приработки алмазов в коронке в течение 10 - 15 мин нагрузку на коронку и число оборотов ее повышают до нормальных. Осевое усилие на коронку чаще всего доводят до 600 - 800 кг.

Бурение ведут не до полного износа коронки, а при снижении скорости бурения до 2 - 3 см/мин ее меняют.

Промывка при алмазном бурении должна обеспечивать хорошее охлаждение алмазов, так как они при сильном нагреве портятся. Скорость восходящего потока между колонной штанг и стенками скважины должна быть не менее 0,6 - 0,8 м/сек.

При наполнении колонковой трубы керном инструмент поднимают. Для этого над коронкой помещают кернорватель, который срывает керн от забоя. Поднятая коронка отвертывается и осматривается. Керн из колонковой трубы извлекается. Алмазную коронку следует заменить в случае:

• механического повреждения коронки;
• появления на торце коронки круговых борозд вследствие отсутствия полного перекрытия рабочего торца алмазами;
• сильного оголения алмазов;
• износа коронки по диаметру.

Износившиеся алмазные коронки отправляют на завод, где матрицу растворяют в соответствующих кислотах и отбирают пригодные для бурения алмазы, которые вторично используются в коронках.

При бурении отечественными алмазными коронками скорость вращения обычно принимается в пределах 250 - 450 об/мин. Осевая нагрузка принимается из расчета от 40 до 60 кг на 1 см² рабочего торца коронки в зависимости от насыщенности торца алмазной коронки алмазами.