Бурение скважин твердосплавными коронками

Осевая нагрузка на твердосплавную коронку P_т.к (в кН) принимается из расчета

P_т.к=р₀n_р              (16.21)

где р₀ - удельная нагрузка на основной резец коронки, принимаемая соответственно свойствам проходимых пород, а также форме резцов коронки (табл. 16.1); n_р - число основных резцов или вставок в коронке.

Удельная нагрузка на резец, обеспечивающая наиболее эффективное объемное разрушение породы, p₀≥р_шF_к, где р_ш - твердость по штампу, МПа; F_к - площадь контакта резца с породой, м2.

Таблица 16.1 Рекомендуемые нагрузки на 1 основной резец (режущую вставку) твердосплавной буровой коронки

Категория пород по буримости	Нагрузка на резец, кН
	коронки ребристые и резцовые (М, СМ, СТ)	коронки самозата- чивающиеся (СА)
1	0,4÷0,5	-
II	0,4÷0,5	-
III	0,5÷0,6	-
IV	0,6÷0,8	-
V	0,6÷0,8	1÷1,2
VI	0,8÷1	1,2÷1,4
VII	1÷1,2	1,4÷1,6
VII-IX	-	1,6÷1,8

При бурении в трещиноватых и абразивных породах рекомендованные значения уменьшают до 30%.

При бурении скважин твердосплавными коронками большого диаметра (93-151 мм), требующими создания большой осевой нагрузки (более 15 кН), а также в геологических условиях, способствующих искривлению ствола скважины, между колонковым снарядом и бурильными трубами необходимо устанавливать УБТ.

Частота вращения (мин-1) коронки рассчитывается по величине принятой окружной скорости коронки ω

                  (16.22)

где D_cр - средний диаметр коронки, D_cр = (D_к+d)/2 (Dк и d- наружный и внутренний диаметры коронки).

Рекомендуемые окруженные скорости ω для твердосплавных коронок приведены ниже

Коронки	Ребристые	Резцовые	Самозатачивающиеся
ω, м/с	0,7-1,5	1-2,0	0,7-1,5

При бурении в абразивных породах во избежание быстрого износа резцов коронки рекомендуется принимать минимальную окружную скорость, но верхние пределы удельной нагрузки на резец. Нижние пределы со следует также принимать при бурении в трещиноватых породах.

При бурении мягких пород II-IV категории по буримости предельные частоты вращения не должны превышать следующих значений.

наружный диаметр коронки, мм	93	112	132	151
предельное значение частоты вращения, мин	500	400	350	300

При бурении мягких пород с пропластками более твердых (или с включениями валунов и галечников) указанные значения должны уменьшаться. Если уменьшается диаметр твердосплавной коронки (коронками малых диаметров считаются коронки диаметром 59, 46 и 36 мм), для получения дополнительного эффекта следует увеличивать частоту вращения.

При равной окружной скорости коронки достигается лучший эффект в случае работы коронки меньшего диаметра, но с большей частотой вращения (определяется из выражения n_м=D_бn_б/D_м, где n_м и n_б - частота вращения коронки соответственно малого диаметра D_м, и большего диаметра D_б, мин-1)

При твердосплавном бурении коронками малых диаметров для выбора параметров режима можно пользоваться данными, приведенными выше, но для получения дополнительного эффекта окружные скорости коронок типа СА следует принимать в пределах 1,6 - 2,0 м/с.

С уменьшением диаметра коронки повышается ее удельная вооруженность, а уменьшение числа резцов позволяет увеличить нагрузки на группу резцов, перекрывающих забой. Поэтому в процессе бурения коронками малых диаметров удельные нагрузки на единицу площади забоя превышают критические, необходимые для разрушения некоторых твердых пород, что обеспечивает улучшение показателей бурения: рост механической скорости и проходки на коронку. Это расширяет область рационального использования твердосплавных коронок в результате применения их для разрушения пород более высоких категорий буримости (до IX включительно, а в комбинации с алмазными коронками -и в более твердых породах).

Расход промывочной жидкости ориентировочно можно определить по удельному расходу q_р (табл. 16.2)

Q=q_pD_к.         (16.23)

(D_к - диаметр коронки, см)

Таблица 16.2

Тип коронки	Удельный расход, л/мин·см
	Категория пород по буримости
	I-II	III-IV	V	VI	VI1-VIII
М	8-14	12-16	-	-	-
СМ,СТ	-	12-16	10-14	8-12	6-8
СА	-	-	-	8-12	6-8

При бурении в мягких породах (I - IV категорий по буримости) значение q_р должно быть максимальным при условии, что выбор этого параметра не ограничивается требованием получения наибольшего процента выхода керна. При бурении в породах средней твердости и твердых с увеличением осевой нагрузки на коронку и частоты ее вращения необходимо повышать расходы циркулирующего потока жидкости.

Запроектированные параметры режима бурения должны обеспечить высокую механическую скорость бурения. Последняя зависит от параметров режима бурения, которые связаны между собой и с физико-механическими свойствами горных пород.

Н.И. Любимов предложил устанавливать ожидаемую скорость бурения различными коронками, используя объединенный показатель ρ_м.

            (16.23, а)

где k - коэффициент пропорциональности, k=82-90 для мелкорезцовых коронок, k=24-31 для самозатачивающихся; ω - окружная скорость породоразушающего инструмента, с-1; р₀ - нагрузка на основной резец, кН; ξ - показатель степени ξ=-1,16 для мелкорезцовых и ξ=-0,79 для самозатачивающихся коронок.

Критерием рациональной продолжительности рейса может служить отношение проходки за рейс h_р к общему времени рейса, т.е. рейсовая скорость бурения (в м/ч)

v_p=h_p/(t+T).                     (16.23, б)

где t - время чистого бурения за рейс, ч;T- время на спуско-подъемные и вспомогательные операции, ч.

Формула (16.20) применима только для затупляющихся породоразрушающих инструментов. Шарошечные долота часто заменяют не из-за износа вооружения, а вследствие износа опор.

Оптимальное время бурения (время прекращения рейса) t₀ определяется моментом снижения мгновенной механической скорости бурения v_м до значения v_p(v_м≈v_p).

Пример 16.6. Подобрать основные параметры режима бурения твердосплавной коронкой типа СМ в доломитах и известняках V-VI категории по буримости, если диаметры коронки и бурильных труб составляют: D_к =93 мм (внутренний - 75 мм); d_т=50мм бурильных труб; коронка имеет n_р=21 основных резцов.

Решение. Согласно табл. 16.1 принимаем Р₀=0,8 кН на 1 резец.

Нагрузка на коронку Р_т.к=0,7·21=14,7 кН.

Средней диаметр коронки  D_ср=(93·10^-3+75·10^-3)/2=84·10^-3м.

Приняв ω=1,5 м/с по формуле (16.22) определим частоту вращения

По формуле (16.23) при q_p=13 л/мин (см.табл.16.2) будем иметь Q=13-9,3≈120 л/мин.

Приняв коэффициент, учитывающий неравномерность скорости движения потока по скважине k_н=1,2 и скорость восходящего потока v_в=0,35 м/с найдем требуемый расход промывочного агента, обеспечивающий вынос частиц разбуренной породы

Q=l,2·3,14/4(0,093²-0,05²) ·0,35=2·10^-3 м3/с, или Q=2·10-^-3·10³·60= 120 л/мин.