Конспект лекций БС. 2. Конспект лекций БС. Конспект лекций по дисциплине "бурение скважин на твердые полезные ископаемые" для студентов специальности
 Скачать 0.63 Mb.
|
|
V окр. = D ср. n / 60 , откуда n = 60 V окр. / D ср., где D ср.= (D нар. + D вн.) / 2 – средний диаметр коронки. Расход промывочной жидкостиопределяет эффективность очи- стки забоя скважины от разрушенной породы. С увеличением расхода улучшается очистка забоя, исключается повторное разрушение частиц по- роды, обеспечивается хорошее охлаждение коронки. Наряду с этим увели- чивается опасность размыва керна, возрастает давление насоса, усилия гидроподпора. Рассчитывается с учетом рекомендуемых значений удельной промывки на один сантиметр диаметра породоразрушающего инструмента: Q = Q уд. D нар. Принятый расход не должен быть меньше минимально допустимого зна- чения, которое определяется из условия превышения скорости восходяще- го потока промывочной жидкости по отношению к скорости осаждения частиц шлама: Q мин = V в.п.* F к.п., где V в.п. – минимально допустимая скорость восходящего потока; F к.п. – площадь кольцевого зазора между бурильной колонной и стенками скважи- ны. 5. ТВЕРДОСПЛАВНОЕ БУРЕНИЕ Твердосплавное бурение применяется в породах малой и средней твердости –до VII, частично VIII категории по буримости. На его долю приходится более 60% общих объемов бурения на твердые полезные иско- паемые. 5.1 КЛАССИФИКАЦИЯ КОРОНОК Твердосплавные коронки классифицируются по конструктивным осо- бенностям и областям применения и подразделяются на три группы: I. Ребристые коронки для мягких пород I-IV категории (М); II. Резцовые коронки для пород средней твердости V-VII категории, ма- лоабразивных (СМ и СТ ); III. Самозатачивающиеся коронки для пород средней твердости, V-VII, частично VIII категории, абразивных. Ребристые коронки характеризуются наличием ребер на короночном кольце, увеличивающих диаметр коронки на один размер. Наличие ребер обеспечивает увеличение зазора между колонковой трубой и стенками скважины, что способствует предупреждению прихватов снаряда при бу- рении в мягких, липких, набухающих породах, улучшению условий очистки скважины от шлама. К коронкам этой группы относятся М1, М2, М5. 17 Резцовые коронки представляют собой короночное кольцо, армиро- ванное единичными твердосплавными резцами. Различаются количеством резцов, их формой и расположением. Используются заостренные резцы относительно большого поперечного сечения, и коронка сохраняет работо- способность до затупления заостренной части резца. К этой группе отно- сятся коронки СМ3,СМ4,СМ5,СМ6,СТ2. Самозатачивающиеся коронки армированы пакетами резцов (штаби- ками), включающими твердосплавные резцы малого поперечного сечения и опорную стальную пластину .При бурении имеет место опережающий износ стальной пластины, что обеспечивает постоянный выступ твердосплавных резцов, а их малая контактная площадь поверхности обусловливает объ- емный характер разрушения горной породы. К коронкам этой группы отно- сятся типы СА1, СА2,СА3,СА5,СА6, а также коронка комбинированного типа СА4. 5.2 КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ КОРОНОК Коронки состоят из отдельных конструктивных элементов .Некоторые из них являются общими для всех коронок, а другие составляют особен- ность групп или конкретного типа. Элементы коронки: корпус (короночное кольцо), состоящий из гладкой и резьбовой части; внутренний конус, ребро ( у ребристых коронок ), наруж- ный и внутренний диаметры (измеренные по выступу резцов внутрь и на- ружу ), резец. Длина резьбы независимо от ее диаметра составляет 30 мм. Пример обозначения резьбы: резьба 73 ГОСТ 6238-77. Противоположный резьбовой части торец имеет промывочные каналы. Два соседних канала образуют зубок, в котором установлены резцы твер- дого сплава. Элементы гидравлической системы : наружный и внутренний зазоры, промывочный канал, шламовый паз. Суммарная площадь промывочных ка- налов не должна быть меньше минимальной площади проходного отвер- стия в колонне бурильных труб. Шламовые пазы расположены по наруж- ной поверхности короночного кольца. В большинстве случаев промывоч- ные каналы имеют форму трапеции. Элементы режущей части: резцы (твердосплавные пластины), которые в зависимости от места расположения подразделяются на основные, под- резные (имеют выступ внутрь или наружу кольца) и дополнительные под- резные, размещенные в промывочных каналах. Подрезные резцы предо- храняют коронку от законушения Элементы резца : угол заточки , угол резания , передний и зад- ний углы. Передний угол может быть положительным (наклон резца в сторону его движения) и отрицательным ( наклон в противоположную сто- рону ). Выступ резцов из-под торца коронки может быть одинаковым, образуя при бурении плоский забой, или различным по концентрическим окружностям ( рядам резцов), образуя ступенчатый забой. В последнем случае эффек- тивность разрушения породы возрастает. 18 Выход резцов из-под торца составляет 1,5-3 мм для твердых пород и 4-5 мм для мягких. Наружу и внутрь выход резцов составляет соответственно 0,5- 1 и 3-6 мм. 5.3 ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ И ФОРМЫ РЕЗЦОВ 5.4 В качестве режущих элементов в твердосплавных коронках исполь- зуются твердые сплавы вольфрамо - кобальтовой группы ВК. Обычно при- меняются ВК3, ВК6, ВК8, при этом цифра в марке твердого сплава указы- вает на процентное содержание кобальта. С увеличением содержания ко- бальта возрастает механическая прочность, но снижается износостойкость. По геометрической форме наиболее широко применяются следующие разновидности: Г53 -восьмигранные призмы с углом заострения 25 град.; Г51 -призмы прямоугольного сечения, заостренные; Г41 -резцы малой толщины (0,7 мм) прямоугольного сечения, без заост- рения, и другие формы. Отличительной особенностью твердосплавных пластин, используемых в самозатачивающихся коронках, является малая площадь их поперечного сечения. 5.5 ТЕХНОЛОГИЯ БУРЕНИЯ При твердосплавном бурении режимные параметры необходимо вы- бирать из условия обеспечения максимальной механической скорости бу- рения. Современные коронки при рациональном их применении обеспечи- вают необходимую проходку за рейс, особенно в породах I-VI, частично VII категории. Механическая скорость в зависимости от осевой нагрузки изменяется по параболе и для каждой породы имеет максимум, определяемый ее прочностными характеристиками. Превышение оптимальных значений осевой нагрузки приводит к возникновению вибраций инструмента и, как следствие, к поломкам и сколам пластин. При этом износ коронок увеличи- вается. Рекомендуемые значения удельных нагрузок на резец для пород различ- ных категорий при бурении ребристыми и резцовыми коронками приведены ниже: Категория I –II III IV V VI VII пород С уд.,даН 40-50 50-60 60-80 60-80 80-100 100- 120 При бурении в породах V-VIII категории по буримости самозатачи- вающимися коронками осевая нагрузка на режущую вставку (пакет) реко- мендуется: 19 Категория по буримости V VI VII VIII Ос. нагрузка, даН 100-120 120-140 140-160 160-180 При бурении в трещиноватых породах указанные значения должны быть уменьшены на 30-50%. Изменение механической скорости в зависимости от частоты вра- щения носит нелинейный характер и соответствует параболе. С увеличе- нием частоты вращения механическая скорость вначале увеличивается, достигает максимального значения, а затем уменьшается. Максимальное значение механической скорости примерно соответствует окружной скоро- сти коронки, равной 1,4-1,5 м/с., и в зависимости от диаметра коронок ре- комендуемые значения частот вращения составят: Нар. диа- метр ко- ронок, мм 36 46 59 76 93 112 132 151 Частота вращения, об/мин 600 500 400 330 250 200 180 150 При бурении трещиноватых пород и с переходом в более абразивные породы частоту вращения следует уменьшать в связи с повышенным изно- сом резцов. При бурении в мягких породах II-IV категории по буримости частота вра- щения может быть, наоборот, выше, и окружная скорость может составлять 2,5- 3 м/с. Расход промывочной жидкости должен быть достаточным для транс- портирования шлама на поверхность. При бурении твердосплавными ко- ронками и промывке скважины водой скорость восходящего потока должна быть не менее 0,25 м/с, а при использовании глинистого раствора- 0,2 м/с. Рекомендуемая скорость восходящего потока составляет 0,4-0,6 м/с. На практике обычно рассчитывают рациональный расход промывочной жидкости, исходя из рекомендуемых значений удельного расхода, прихо- дящегося на 1 см. диаметра коронки: Коронки Q , л/мин на 1 см диаметра коронки по категориям пород I -II III-IV V VI VII-VIII Ребристые 8-14 12-16 - - - Резцовые - - 8-16 8-12 6-8 Самозатачи- вающиеся - - 8-14 8-12 6-8 20 6. АЛМАЗНОЕ БУРЕНИЕ 1. Алмазное бурение относится к одним из наиболее эффективных спо- собов и находит широкое применение. Рациональные области применения этого способа-породы VIII-XII категории по буримости. Длительное время алмазное бурение практически не применялось в бывш. СССР из-за отсут- ствия собственной сырьевой базы и действия эмбарго на поставку алмазов в СССР. Лишь после открытия и освоения месторождений алмазов Якутии в конце 50-х –начале 60-х годов началось изготовление собственного алмазного породоразрушающего инструмента и широкое внедрение в прак- тику геологоразведочных работ этого способа бурения. Высокая эффективность алмазного бурения определяется особыми, уникальными свойствами алмазов. 6.1 АЛМАЗЫ И ИХ СВОЙСТВА По химическому составу алмаз представляет собой разновидности углерода. Атомы углерода образуют в кристалле алмаза весьма компактную кристал- лическую решетку, что и обусловливает его особые свойства. Алмазы встречаются в виде отдельных кристаллов (куб, октаэдр, ром- бододэкаэдр ) или в виде сростков мелких кристаллов (кристаллические агрегаты). Разновидностями кристаллических агрегатов являются балла- сы, карбонадо и бортсы. Первые две разновидности обладают высокими прочностными свойствами, но встречаются редко и в бурении практически не находят применение. Основной объем алмазного бурения выполняется коронками с алмазами типа бортс, представляющими неправильные срост- ки кристаллов. Масса алмазов измеряется в каратах (1 карат=0,2 гр.), а крупность обычно оценивается количеством штук на один карат или по размеру от- верстий сита при сортировке алмазов в мкм. В буровой практике использу- ются относительно мелкие алмазы от 2 шт/карат (А-380) до 400-800 шт/карат (А-63 ). Наиболее важным свойством алмаза является его исключительно высо- кая твердость и износостойкость. Абсолютная твердость алмаза, измеряе- мая вдавливанием алмазной пирамиды-10060 даН/мм², что в 9 раз выше твердости кварца, и 7 раз -металлокерамического твердого сплава. Стой- кость на истирание у алмаза в 150 раз выше, чем у корунда и в десятки раз - чем у самых лучших твердых сплавов. Относительная прочность кристаллов алмазов возрастает с уменьше- нием их размера. Так, относительная прочность кристаллов в 60-90 шт/карат на 70 % выше прочности кристаллов в 20-30 шт/карат. Наличие трещин снижает прочность кристаллов в 1,2-1,9 раза. Твердость граней одного и того же кристалла алмаза неодинакова, так- же различна твердость по разным направлениям в пределах одной грани, что используется при вставке алмазов с ориентированием по твердому вектору. 21 Обладая большой стойкостью при истирании и прочностью на раздавли- вание при воздействии статических нагрузок, алмазы относительно хрупки и при ударах легко раскалываются по плоскостям спайности. Динамическая нагрузка, разрушающая алмаз, в среднем в 4,3 раза меньше, чем нагрузка при статическом разрушении. Предел прочности алмаза на изгиб в 3-4 раза ниже, чем твердого сплава. Модуль упругости, характеризующий способность к деформации, выше всех природных твердых тел. Высокая теплопроводность (в 2-5 раз выше, чем у твердого сплава) обеспечивает быстрый отвод тепла. Малый коэффициент линейного расширения (в 5-6 раз меньше, чем у твердых сплавов) обеспечивает высокую стойкость алмазного инструмента при работе на форсированных режимах. Алмазы характеризуются исключительно высокой химической стойко- стью. Самые сильные кислоты и щелочи на них не действуют, только в расплаве натриевой и калиевой селитры и соды алмазы могут окисляться и сгорать. При нагреве алмаз графитизируется и затем сгорает: на воздухе при температуре 850-1000 С, в кислороде - при 720-800 С, при нагревании без доступа кислорода алмаз выдерживает температуру до 1000-1100 , а в за- щитной среде (азот, водород, окись углерода) - до 1200-1300 С без изме- нения свойств. В бурении используются, в основном, алмазы пониженного качества, по- этому с целью улучшения буровых свойств алмазов, упрочнения отдельных зерен, отбраковке дефектных применяется ряд методов обработки алма- зов. Основные из них следующие: избирательное дробление (взаимное соударение зерен алмазов в воздуш- ной струе, разрушение дефектных зерен); овализация (взаимное истирание зерен алмазов до округлой формы с ма- товой поверхностью); полирование (механическое, химическое или газопламенное до получе- ния полированной, блестящей поверхности ранее овализованных зерен); металлизация (покрытие зерен алмазов тонкой пленкой тугоплавкого ме- талла) для улучшения сцепления алмаза с материалом матрицы коронки (адгезии). 6.2 КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ АЛМАЗНЫХ КОРОНОК Алмазная коронка состоит из алмазосодержащей матрицы и стального корпуса, снабженного резьбой. Матрица - это рабочая часть коронки, представляющая собой кольцо из металлокерамического сплава, в котором размещены и укреплены алмазы. В матрице прорезаны промывочные каналы, которые разделяют ее на сек- тора. Кристаллы алмазов расположены в матрице в определенном порядке и подразделяются на объемные, выполняющие основную работу по разру- шению породы на забое скважины и размещенные по торцу матрицы, и 22 подрезные, размещенные по кромкам матрицы и предназначенные для об- работки (калибровки) стенок скважины и керна, предохранения коронки от преждевременного износа по боковым поверхностям. В качестве подрезных используют обычно достаточно крупные высококачественные алмазы ес- тественной формы или овализованные и полированные. Работоспособность алмазных коронок зависит, прежде всего, от свойств материала матрицы. Матрица коронок должна обеспечивать: - прочное сцепление (адгезию) алмаза с материалом матрицы c целью удержания зерен при некотором их обнажении; - постоянный выступ алмазов из-под торца коронки. Регулирование свойств матрицы достигается путем иэменения ее состава и за счет различной технологии изготовления. Матрицы алмазных коронок изготавливаются методом порошковой ме- таллургии. Основные металлы - вольфрам, кобальт, никель и др.; связую- щий (пропиточный) материал - медь, бронза, латунь и др. Применяются следующие методы изготовления коронок: - способ холодного прессования с последующей пропиткой с использова- нием стальных прессформ; - способ горячего прессования с пропиткой ; - изготовление в графитовых прессформах с последующей пропиткой. Износостойкость матрицы ориентировочно оценивается по ее твердости с использованием прибора Роквелла по шкале “С”. Серийно выпускаются ко- ронки с матрицами трех типов: 1.Нормальная твердостью 20-25 НRс - для мало- и среднеабразивных по- род, плотных, монолитных; 2. Твердая, 30-35 НRс ,- для абразивных пород, монолитных, разрушенных и трещиноватых; 3.Сверхтвердая, 50-55 НRс ,- для весьма абразивных, разрушенных и тре- щиноватых пород. Для нормальной работы алмазной коронки необходимо, чтобы в течении всего времени бурения обеспечивался постоянный выступ алмазов, созда- вая зазор между забоем и матрицей, поэтому интенсивность износа матри- цы и алмазов должна быть одинаковой. При излишней износостойкости матрицы происходит “замазывание” алмазов, а при недостаточной - их чрезмерное обнажение и выпадение. Кроме того, при неравномерном изно- се алмазов и матрицы нарушается промывочная система коронки, что мо- жет привести к зашламованию забоя или повторному разрушению частиц шлама. Алмазы могут размещаться в матрице как по ее поверхности, так и в те- ле матрицы, в ее алмазосодержащем слое. В соответствии с этим коронки подразделяются на однослойные и импрегнированные (impregnate- насыщать), в которых алмазы размещены в слое матрицы толщиной 3-4 мм. В однослойных коронках алмазы укладываются по определенной схе- ме, обеспечивающей полное перекрытие торца алмазами. В импрегниро- ванных коронках алмазосодержащий слой представляет собой смесь ших- ты (твердосплавный порошок) и мелких алмазов. 23 Крупность (зернистость) алмазов выбирается в зависимости от твердо- сти горных пород, крупности слагающих их частиц. Для бурения крупнозер- нистых пород используются более крупные алмазы, что обеспечивает большой зазор и возможность удаления с забоя частиц большого размера. Чем тверже порода, тем мельче должны быть алмазы. Промывочная система коронок определяется количеством, формой и сечением промывочных каналов; величиной и выступом алмазов из мат- рицы, размещением алмазов в каплевидных выступах матрицы по торцу и в ребрах по боковым поверхностям. Чем мягче порода, чем больше образу- ется шлама, тем совершеннее должна быть промывочная система. Геометрия режущей части матрицы также может быть различной. Стандартные алмазные коронки в большинстве случаев имеют торец в форме усеченной полусферы, когда радиус закругления равен толщине матрицы или больше ее половины. Кроме такого профиля торца исполь- зуются формы полусферы (при необходимости размещения большого ко- личества относительно крупных алмазов), плоского торца (размещение ми- нимального количества мелких алмазов),прямого и обратного полукуполов. Основные конструктивные параметры коронок обозначены в шифре (ин- дексе) коронки. Пример: 07 А 3 Т 60 К 10 1 2 3 4 5 6 7 1 (07)- порядковый номер разработки; 2 (А)-расположение алмазов в матрице: А - однослойная, И - импрегнироваванная; 3 (Т)-качество объемных алмазов (буквенное обозначение группы, под- группы и качества алмазов в соответствии с техническими условиями на алмазное сырье); 4 (60)- максимальная крупность объемных алмазов; 5,6 (К10)-соответственно качество и максимальная крупность подрезных алмазов. |