15.01.2021

Вращательное бурение с прямой промывкой


Одним из распространенных методов проходки неглубоких скважин с отбором керна в рыхлых, а также мягких и средней твердости породах является вращательное бурение твердосплавными коронками с промывкой глинистым раствором, которое позволяет осуществлять перебуривание наносов и отбор керна коренных пород любой твердости. Механизм разрушения породы при этом методе бурения сводится преимущественно к ее резанию, а интенсивность этого процесса, учитывая высокие скорости разрушения, решающим образом определяется тем, насколько быстро и полно очищается от шлама забои скважины.

В связи с тем, что бурение сопровождается гидравлической транспортировкой разрушенной породы, описание различных разновидностей этого процесса приводится и более подробном изложении. Увеличение механической скорости бурения в определенных пределах требует полами в скважину большого количества промывочной жидкости. Последнее обстоятельство отрицательно сказывается на качестве и выходе керна, а также на устойчивости стенок скважины, особенно при бурении рыхлых и мягких пород. Следовательно, имеет место противоречие между факторами, способствующими повышению производительности бурения, и факторами, влияющими на качество кернового материала. В связи с этим рекомендации по технологии вращательного бурения с промывкой обычно направлены на выявление рациональных соотношений между скоростью вращения снаряда и осевой нагрузкой на коронку, которые должны обеспечить достаточно быстрое углубление скважины, и количеством промывочной жидкости, которое, с одной стороны, должно обеспечить эффективную очистку забоя от шлама, а с другой — не должно вызывать разрушение керна и стенок скважины. При этом весьма существенную роль играет соответствие конструкции коронки физико-механическим свойствам буримых пород. При недостаточном количестве жидкости происходит накопление шлама на забое, что ухудшает выход керна.

Если призабойная часть керна пород малой твердости не изолирована от действия быстро протекающего потока, выход керна снижается по мере увеличения производительности насоса.

Так, при производительности насоса 40 л/мин и скорости, движения жидкости относительно столбика керна 2 м/сек выход керна мягких пород составляет 90%. При подаче 120 л/мин и относительной скорости жидкости 6 м/сек выход керна снижается до 75%. Дальнейшее увеличение производительности насоса до 160 л/мин приводит к росту относительной скорости движения жидкости до 8 м/сек и снижению выхода керна до 65%, т. е. ниже кондиционного значения.

Отмечено, что выход керна имеет общую тенденцию к повышению с увеличением механической скорости бурения. Определяющим фактором, влияющим на выход керна, является направление потока промывочного агента в керноприемной трубе.


Максимальные значения механической скорости проходки могут быть получены при правильном подборе типа коронки для конкретных условий бурения и при обеспечении рекомендуемых режимных параметров. В табл. 37 указаны наиболее совершенные типы твердосплавных коронок и рекомендуемые области их применения, а в табл. 38 приведены обобщенные рабочие диапазоны значений осевой нагрузки и чисел оборотов снаряда для твердосплавных коронок конструкции СКБ различных типов и диаметров. Данные табл. 38 свидетельствуют о том, что специализация твердосплавных коронок позволила бурить малоабразивные и абразивные породы на весьма близких или практически одинаковых режимах по скорости, вращения снаряда и осевой нагрузке на коронку. Рекомендуемые рабочие окружные скорости вращения коронки в зависимости от категорийности пород и диаметров бурения изменяются в пределах 1,25—2,0 м/сек а осевые нагрузки на коронку в пределах от 600 до 2000 кГ. По мере увеличения категорийности пород снижается окружная скорость вращения коронки и увеличивается осевая нагрузка на нее. При бурении рыхлых малосвязных пород I—III категорий применяются низкие нагрузки на коронку, чтобы улучшить условия удаления шлама из-под ее торца и обеспечить сохранность керна. Для определенных размеров твердосплавных коронок, по мере увеличения их диаметров, рекомендуется снижать окружную скорость вращения коронки в породах одной твердости и категории буримости при соответственном увеличении удельной нагрузки на резец. Это мероприятие способствует созданию более спокойных условий работы оборудования и бурового снаряда. ВИТР в результате разработки параметров режима бурения для установок колонкового бурения, регламентируемого ГОСТ ряда и при определении перспектив совершенствования техники и технологии твердосплавного бурения для стран членов СЭВ) рекомендует следующие сочетания скоростей вращения снаряда и осевых нагрузок на коронку для различных категорий пород по буримости (табл. 39).

Сопоставляя данные прогнозного характера, помещенные в этой табл. 39, с ранее приведенными рекомендациями по режимным параметрам для твердосплавных коронок лучших типов, следует отметить, что по диапазону предельных значений скоростей вращения инструмента и нагрузкам на твердосплавную коронку не ожидается существенного изменения упомянутых параметров. Рассматривая рекомендации прогнозного характера с точки зрения целесообразности одновременного повышения и окружной скорости вращения и нагрузки на коринку б породах средней твердости и твердых, следует отметить, что фактический экспериментальный материал не подтверждает их справедливость. По данным ИМР, проводившего исследование работы твердосплавных коронок типа CM-1 и БТ-4 на западе Донбасса в 1967 г., наибольший эффект для коронок диаметром 93 мм достигается при скорости вращения снаряда 238 об/мин и нагрузках от 1600 до 2000 кГ.

В табл. 40 приведены данные бурения на различных режимах по аргиллитам и алевролитам V категории к по песчаникам VII категории.

Данные табл. 40 свидетельствуют о том, что при нагрузках 1600—2000 кГ увеличение скорости вращения коронки диаметром 93 мм с 238 до 346 об/мин не приводит к увеличению механической скорости бурения и породах V категории, а в породах VII категории вызывает их уменьшение. Работами ВПТР, проводившим в 1958 г. опытное внедрение форсированных режимов бурения твердосплавными коронками на ряде объектов МГ России, также доказано, что при бурении малой и средней твердости пород V—VI категорий повышение окружной скорости вращения коронок с 1,5 до 2,5 м/сек при нагрузках порядка 800—1000 кГ не приводит к повышению механической скорости бурения. В табл. 41 приведены данные, подтверждающие это положение, которые получены при бурении коронками МР2НП-1. Следует иметь в виду, что проходка за рейс в данном случае, очевидно, ограничивалась в связи с требованиями к выходу керна. Данные табл. 41-подтверждают тот факт, что при твердосплавном бурении в породах малой и средней твердости бывает два практически равноценных режима бурения, из которых один отличается большей осевой нагрузкой при меньшей скорости вращения снаряда, а другой большей скоростью вращения при меньшей нагрузке. В производственных условиях, исходя из большей сохранности оборудования и бурового снаряда, в основном предпочитают применять первое из упомянутых сочетаний скорости вращения и осевой нагрузки.

Шведская фирма «Крелиус» (ныне «Крелиус Диабор») приводит следующие рекомендации по максимальной скорости вращения для твердосплавных коронок (табл. 42).


Следует отметить, что в рекомендациях фирмы также имеет место некоторое снижение окружных скоростей вращения коронок по мере увеличения их диаметра. Максимально рекомендуемая скорость вращения твердосплавных короной и то только применительно к дна метра м 36 и 46 мм равна 400 об/мин. Уровень отечественных рекомендаций по значениям скоростей вращения твердосплавных коронок примерно в 1,5 раза выше зарубежных, что объясняется большим совершенством конструкций отечественных твердосплавных коронок. Анализ и сопоставление различных рекомендации по скоростям вращения и осевым нагрузкам на твердосплавные коронки позволяют представить эти рекомендации в обобщенном виде, который и характеризует современный уровень технологии твердосплавного бурения с промывкой по этим параметрам. Обобщенные данные по режимам бурения твердосплавными коронками в породах различных категорий приведены в табл. 43.

При составлении табл. 43 приняты во внимание следующие основные положения, нашедшие отражение в научно-технической литературе и отечественных данных научно-исследовательских институтов:

- специализация твердосплавных коронок позволяет применять практически одинаковые режимы бурения по скорости вращения и осевой нагрузке при бурении в породах аналогичной твердости, по различной степени абразивности;

- режимы твердосплавного бурения характеризуются применением небольших скоростей вращения инструмента в сочетании с высокими осевыми нагрузками;

- по мере роста твердости пород осевая нагрузка на коронку увеличивается, а скорость вращения уменьшается; наибольшие из рекомендуемых окружных скоростей коронок возможно реализовать при бурении пород малой твердости коронками малых диаметров;

- по мере увеличения диаметра коронок возможность реализации наивысших из достигнутых окружных скоростей вращения уменьшается, в связи с чем следует несколько увеличивать удельное давление на резец в пределах допускаемых прочностью бурильной колонны.

Ряд теоретических и экспериментальных исследований подтверждает, что применительно к твердосплавному бурению реализация рекомендуемых значений осевой нагрузки и скорости вращения коронки вполне возможна. Так, С.А. Угаров определил предельные режимы работы замковых соединений для бурильных труб диаметром 42, 50 и 63,5 мм. Оценка выносливости замковых соединений производилась по изгибающим моментам, действующим в скважине.

В табл. 44 приведены предельные сочетания осевой нагрузки и скорости вращения инструмента для различных диаметров бурения с использованием колонны бурильных труб диаметром 50 мм с замковым соединением. При этом обеспечивается запас прочности замковых соединений 1,6, который принят в нефтяной промышленности.

По данным Свердловского института им. Вахрушева, бурильные трубы диаметром 50 мм первого класса годности, т. е. с износом стенок до 1 мм, позволяют осуществлять бурение при следующих сочетаниях осевого давления и оборотов снаряда (табл. 45).

При вращательном бурении с промывкой мощность на вращателе складывается из следующих элементов:

где N — мощность, затрачиваемая на забое скважины, в квт; Nтр — мощность на преодоление трения бурильных труб о стенки скважины в квт; Nг — мощность на преодоление гидравлических сопротивлений при вращении бурильных труб в промывочной жидкости в квт.

Мощность на забое скважины следует определять по формулам Ф.А. Шамшсва. При алмазном бурении

при твердосплавном бурении

где P — осевая нагрузка на забой в кГ; n — скорость вращения в об/мин; Dср — средний диаметр коронки в мм; u — коэффициент трения твердого сплава о породу.

Мощность на преодоление трения бурильных труб о стенки скважины при больших зазорах может быть определена по следующей формуле, учитывающей действие центробежных сил, упругость бурильной колонны, величину осевой нагрузки и угол наклона скважины

где L — глубина скважины в м; u — комплексный коэффициент, учитывающий коэффициент трения бурильных труб о стенки скважины, вибрации и возможное несовпадение фактического числа оборотов полуволны вокруг оси скважины со скоростью вращения коронки; D — диаметр скважины в м; d — диаметр бурильных труб в м: q — вес 1 м бурильных труб в кг; n — скорость вращения в об/мин; Е — модуль упругости материала бурильных труб в кГ/см2; J — момент инерции сечения бурильных труб в см2; Р — осевая нагрузка на забой в кГ; l — средняя длина полуволны в м; а — угол наклона скважины к вертикали.

Величина коэффициента u определяется по эмпирической формуле

где a1, a2, в1 и в2 — коэффициенты, зависящие от материалов бурильных труб и пород в стенках скважины, а также от их диаметров.

Величины этих коэффициентов, установленные экспериментальным путем при вращении труб в обсаженных скважинах глубиной до 100 м с различными числами оборотов, приведены в табл. 46.


Мощность на преодоление гидравлических сопротивлений при вращении бурильных труб равна

где u1 — коэффициент трения промывочной жидкости о металл.

Как уже отмечалось ранее механическая скорость бурения пород различных категорий буримости в основном зависит от типа породоразрушающего инструмента и применяемого режима бурения. Исследования технологии твердосплавного бурения, проведенные в ВИМС, ВИТР, ИМР, МГРИ и СКВ, показали, что прирост механической скорости достигается главным образом путем увеличения нагрузки на коронки при значениях окружной скорости их вращения 1,0—1,5 м/сек.

В табл. 47 приведены значения механических скоростей бурения твердосплавными коронками в соответствии с разработанными BИTP режимами бурения применительно к диаметрам коронок 93—112 мм.

В соответствии с данными ИМР твердосплавные коронки СМ-1 и БТ-4 диаметром 93 мм при нагрузках 1600 и 2000 кГ и скорости вращения 238 об/мин (1,2 м/сек) позволяют получать в породах осадочного комплекса следующие максимальные механические скорости бурения (табл. 48).
Вращательное бурение с прямой промывкой

По данным СКВ, механическая скорость бурения твердосплавными коронками диаметром 93—112 мм в метаморфизованных и изверженных породах изменяется в следующем диапазоне (табл. 49).

Для удобства сравнения механических скоростей бурения регламентируемых EHB 1964 г. с данными, позднее полученными научно-исследовательскими, конструкторскими и производственными организациями, в результате применения более совершенных конструкций коронок и рациональных режимов они объединены в табл, 50. Данные табл. 50 свидетельствуют о том, что со времени утверждения EHB 1964 г. фактически достигнутые механические скорости бурения возросли главным образом в породах V—IX категорий благодаря использованию коронок типа БТ-4, БТ-45а и МР2ИП-1. Рост скоростей бурения с отбором керна в породах до IV категории сдерживается в основном не конструктивными особенностями коронок, а возможностями очистки забоя от шлама в процессе бурения, условиями отбора представительного керна и т. п.

В табл. 50 приведены средние значения механических скоростей бурения этими коронками в различных по буримости породах.

Причем для пород V—IX категорий среднее значение механической скорости вычислены по данным ВИТР, ЦНИГРИ, ИМР и СКБ, а до IV категории — по данным ВИТР.

Таким образом, совершенствование техники и технологии твердосплавного бурения за время, прошедшее со времени утверждения EHB 1964 г., позволило увеличить механическую скорость, углубления в породах V—IX категории на 30—65% при использовании 93—112 мм коронок. Больший прирост механической скорости бурения произошел в породах VIII—IX категорий. В процессе испытаний твердосплавных коронок типа БТ-4, БТ-45а и: МР2НП-1 диаметром 59 и 76 мм установлено, что в породах VIII—X категорий, представленных базальтами, конгломератами, андезито-базальтами, дацитами, туфами дацитов, порфиритами, альбитофирами, диабазами, хлорит-серцитовыми разностями — они позволяют достигнуть механических скоростей бурения, значительно превышающих скорости бурения 93-мм коронками и сопоставимых со скоростями бурения алмазными коронками в этих породах при проходке на коронку 1,5—2,5 м.

В табл. 51 приведены значения этих скоростей (м/ч) по данным различных организаций.

Порядок цифр, характеризующий превышение механической скорости бурения твердосплавными коронками малых диаметров по сравнению с коронками диаметром 93 мм, довольно стабилен вне зависимости от мест проведения испытании или внедрения в промышленных масштабах. Табл. 52 иллюстрирует это положение.


В табл. 53 приведены обобщенные значения механических скоростей бурения коронками различных диаметров в породах различных категорий, которые определенным образом характеризуют эффективность твердосплавного бурения с промывкой на современном уровне.

Приведенные значения механической скорости бурения достижимы при хороших условиях очистки забоя от шлама. Однако при чрезмерном увеличении производительности насоса возникают силы гидравлического подпора, которые, действуя на бурильную колонну снизу вверх, уменьшают осевую нагрузку и соответственно механическую скорость бурения.

Таким образом, с увеличением количества прокачиваемой жидкости улучшается очистка скважины от шлама и одновременно уменьшается осевая нагрузка на забой. Первый фактор способствует росту механической скорости бурения, а второй ее снижению.

Согласно исследованиям Днепропетровского горного института приращение давления на насосе возникает также и в случае значительного повышения осевой нагрузки на коронку, особенно в породах от VI категории и ниже; при заполнении колонковой трубы керном; при износе твердосплавной коронки по диаметру.

В табл. 54 приведены приближенные значения силы гидравлического подпора в кГ, возникающие от указанных причин, выявленных ДГИ.

Таким образом, суммарное значение силы гидравлического подпора при прямой промывке изменяется в течение рейса и достигает значительной величины, соизмеримой с рекомендуемым осевым усилием на коронку, в частности для пород до VI категории буримости.

Следует отметить, что вопрос о рациональных значениях величин подач промывочной жидкости при вращательном бурении еще не достаточно изучен, в результате чего имеются и различные рекомендации по этому режимному параметру (табл. 55).

В справочнике по разведочному бурению рекомендуется необходимое количество промывочной жидкости определять из расчета 10—15 л/мин на 1 см диаметра коронки при бурении в рыхлых и мягких породах и 10—12 л/мин на 1 см диаметра в породах средней твердости (табл. 56).

Обработка хронометражных наблюдений показывает, что начальные рейсовые скорости вращательного, колонкового бурения с промывкой находятся в пределах 4—8 м/ч. Причем верхний предел соответствует II группе пород (рис. 21), где высокие механические скорости достигаются в связи с воздействием на породу потока промывочной жидкости. Затем следуют породы III и IV группы. Средине рейсовые скорости в одних и тех же породах снижаются при увеличении глубины скважин от 5 до 50 м в 1,5— 2,5 раза (рис. 22).

Нa бурениe скважин глубиной до 50 м затрачивается 20— 35 ч или в 12—15 раз больше, чем на 5-м скважину. С глубиной возрастают и удельные затраты времени на один погонный метр скважины. Существующие буровые установки имеют сравнительно высокие установленные мощности 40—60 л.с. Поэтому приведенные скорости не превышают 0,2 м/ч при минимальных до 0,05. В некоторых случаях особенно при бурении по породам I группы обычный вращательный метод оказывается просто малоэффективным, поскольку при этом необходимы специальные технологические приемы, обеспечивающие проведение обсадки одновременно с углублением скважины.





Яндекс.Метрика