Конспект лекций БС. 2. Конспект лекций БС. Конспект лекций по дисциплине "бурение скважин на твердые полезные ископаемые" для студентов специальности
 Скачать 0.63 Mb.
|
|
6.3 ТИПЫ АЛМАЗНОГО ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА К алмазному породоразрушающему инструменту относятся коронки и расширители. Разработка этого инструмента включала несколько этапов совершенствования конструкций. В начале 60-х годов для решения задачи широкого внедрения алмазного бурения в практику геологоразведочных работ в ВИТРе (Всесоюзный науч- но-исследовательский институт методики и техники разведки, г. Ленинград) были разработаны первые типы однослойных и импрегниро- ванных коронок. Это коронки простой конфигурации без заданного выступа алмазов, так как они изготавливались в металлических прессформах: 01А3- для малоабразивных пород VIII-IX категории; 01А4- для абразивных пород VIII-IX категории – однослойные и 02И3, 02И4, 03И5 - импрегнированные для пород X-XII категорий, малоаб- разивных, абразивных и весьма абразивных соответственно. В последующие годы были разработаны однослойные коронки более совершенных конструкций, в том числе более узко специализированные. 24 К этой группе коронок можно отнести: О4А3, О5А3 –коронки, изготовленные в графитовых прессформах, что обеспечивает размещение объемных алмазов в каплевидных выступах (заданный выступ алмазов по торцу), предназначенные для бурения пород типа песчаников соответственно VII-VIII и IX-X категории. 07А3 –коронка с заданным выступом алмазов, изготовленная в металлоке- рамической прессформе , предназначенная для пород VIII-IX категории. 14А3 – коронка с утолщенной по сравнению со стандартной матрицей (уменьшен внутренний диаметр), предназначенная для бурения трещино- ватых пород VIII-IX категории, обеспечивающая увеличение проходки за рейс. 15И3 – коронка с уменьшенной толщиной матрицы, предназначенная для бурения крепких малоабразивных пород XI-XII категории, увеличения удельной осевой нагрузки за счет малой площади торца. 16А3 – зубчатая многосекторная коронка для пород средней твердости V- VII категории по буримости. А4ДП и И4ДП –коронки, изготовленные по усовершенствованной техноло- гии с горячей допрессовкой с улучшенными свойствами матрицы, исполь- зованием полированных алмазов. Однослойные коронки с выступающими алмазами менее чувствитель- ны к изменению свойств матрицы, и области их применения по абразивно- сти пород расширяются. Расширители размещаются над коронкой и предназначается для ка- либровки стенок скважины, исключения необходимости разбуривания при- забойной ее части при пуске в работу новой коронки. Номинальный диа- метр расширителя на 0,4 мм больше диаметра коронки. Расширитель представляет собой металлический корпус с резьбой под коронку внизу и под колонковую трубу вверху с внутренней расточкой для размещения кер- норвательного кольца. На наружной боковой поверхности корпуса имеется кольцо с алмазосодержащими секторами и промывочными каналами. В на- стоящее время выпускаются расширители типа РСА (расширитель сектор- ный алмазный). Применяются расширители в крепких абразивных породах, где наблюдается интенсивный износ коронок по наружному диаметру. 6. 4 СИНТЕТИЧЕСКИЕ АЛМАЗЫ И СВЕРХТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ В БУРЕНИИ В последние годы на вооружение буровых работ все в большей мере берутся коронки, армированные синтетическими алмазами и сверхтвер- дыми материалами. Это связано как с дефицитом и высокой стоимостью природных алмазов, так и с успехами в синтезе алмазов и других сверхтвердых материалов. Та- кая тенденция наблюдается и в зарубежной практике бурения. Рассматриваемые материалы подразделяются на две основные группы: I. Материалы на основе алмаза. II. Материалы на основе кубического нитрида бора. Материалы первой группы находят наибольшее применение в бурении подразделяются на: 25 а/ монокристаллические алмазы; б/ поликристаллические алмазы; в/ композиционные материалы. Монокристаллические алмазы (в бурении используются алмазы группы АСС) представляют собой единичные кристаллы весьма малых размеров (в несколько сотен штук/карат). –АСС-5О, АСС-65 и др., где цифра характе- ризует прочность зерен на разрушение, даН/зерно. Эти алмазы находят достаточно широкое применение при изготовлении импрегнированных ко- ронок (БС, БСС и другие). Поликристаллические алмазы представляют собой агрегаты скрытокри- сталлического строения и подразделяются на три группы: 1/ алмазы синтетические типа “баллас” (АСБ).; Обладая хорошими меха- ническими свойствами, алмазы этой группы недостаточно термостойки и применения в бурении не нашли; 2/ АСПК (АРК-4)- алмазы синтетические поликристаллические. Ситнези- руют в виде цилиндров длиной до 6,5 мм и после дробления получают зер- на размером от 10-20 до 120-500 шт/карат. Обладают высокими механиче- скими свойствами, сравнимыми с природными алмазами, и приемлемой для порошковой металлургии термостойкостью. Используются для изготов- ления однослойных (А4ГС), импрегнированных (И4ГС) и резцовых коронок (КСК). Последние достаточно успешно работают в диапазоне пород твер- досплавного бурения. 3/ СВСП (АРС-3) - алмазы синтетические ВНИИТС, светлые, прочные. Выпускаются в виде цилиндров аналогичных АСПК. Обладают повышенной термостойкостью и прочностными свойствами на уровне природных алма- зов. Используются для изготовления резцовых (типа КС), однослойных (01А3СВ, 16А3СВ и др.) и импрегнированных (02И3СВ и др.) коронок. Эта группа синтетических алмазов находит наибольшее применение в бурении. Композиционные материалы изготавливаются на основе алмазов и твер- дого сплава. К ним относятся “СЛАВУТИЧ”, “ТВЕСАЛ”, алмазно- твердосплавные пластины АТП. Твесал и Славутич можно изготавливать любой заданной геометрической формы. Эти материалы обладают высокой износостойкостью, прочностью и находят широкое применение в бурении, особенно на нефть и газ. Пластины АТП также очень перспективны для ис- пользования в бурении. 6.5 ТЕХНОЛОГИЯ АЛМАЗНОГО БУРЕНИЯ Особенности технологии бурения алмазными коронками определяется особыми свойствами алмазов, прежде всего высокой твердостью и износо- стойкостью, но недостаточной прочностью по отношению к ударным и изги- бающим нагрузкам. Необходимо также учитывать характеристику алмазов по термостойкости, теплопроводности. Учитывая хрупкость алмазов и матрицы не допускается сжатие коронок при их навинчивании и свинчивании. Для этого используются специальные ключи со штифтом. Не допускается бурение коронками при наличии на за- бое кусков металла или керна - в этом случае производится предваритель- ная очистка забоя. Нельзя допускать значительного законушения приза- 26 бойной части скважины, так как разбуривание в крепких породах быстро выводит коронку из строя. Алмазы очень восприимчивы к вибрации снаряда- в этом случае новая коронка может износиться в течении рейса. Для предупреждения вибраций принимаются следующие меры: Зазор между бурильной колонной и стенками скважины или стенками об- садной колонны должен быть минимальным, что обеспечивает неболь- шую стрелу прогиба бурильной колонны. Для алмазного бурения разра- ботаны бурильные трубы диаметром 54 мм (скважина 59 мм), 68 мм ( скв. 76 мм) и др. Бурильная колонна не должна иметь утолщений и сосредоточенных масс, то есть должна быть гладкоствольной по наружному диаметру и сбалансированной. Поэтому при алмазном бурении рекомендуется ис- пользовать бурильные колонны ниппельного соединения. Коэффициент трения бурильной колонны о стенки скважины должен быть минимальным. Рекомендуется применение специальных смазок для бурильной колонны ( КАВС и др.) и смазывающих добавок к промы- вочным жидкостям. Для устранения вероятности возникновения вибраций разработаны за- бойные амортизаторы продольных, поперечных и крутильных колебаний, в состав которых входят резиновые или пружинные элементы. Разрабо- таны также коронки с корпусами из композиционного демпфирующего материала (железо-медь), снижающие отрицательное влияние вибрации (02И3ЖМ). Опасность возникновения вибраций возрастает с увеличением часто- ты вращения. При спуске снаряда нельзя допускать ударов коронки об уступы сква- жины или соединения обсадных труб (необходима проработка уступов и ис- пользование обсадных труб безниппельного соединения). Дохождение до забоя ведется при пониженных частотах вращения (I-II скорости вращения) и малой осевой нагрузке (300-400 даН). Собственно бурение осуществляется при соблюдении следующих па- раметров: Осевая нагрузка выбирается из расчета удельных значений нагрузки для однослойных коронок 50-70 даН / см² рабочей площади торца коронки и для импрегнированных -100-120 (до 150) даН/см². Средние значения осевой нагрузки при диаметре коронки 76 мм примерно находятся в пределах 1400- 1600 даН. Частота вращения при алмазном бурении определяется прочностью бурильной колонны и мощностью двигателя станка, так как механическая скорость с увеличением частоты вращения непрерывно возрастает. За ра- циональную можно принять окружную скорость в пределах 3-3,5 м/с . При использовании необходимых технологических мероприятий бурение можно осуществлять при частотах вращения от 1200-1500 об/мин на глуби- нах до 200-300 м и до 400-500 об/мин на глубинах в 1000-1200 м. Расход промывочной жидкости приалмазном бурении существен- но меньше, чем при твердосплавном. Это связано с быстрым отводом теп- 27 ла от алмаза к матрице (высокая теплопроводность алмазов), образовани- ем мелких частиц шлама и малыми зазорами между бурильной колонной и стенками скважины. Главное требование при промывке - постоянство и не- прерывность подачи жидкости. Рекомендуемые значения удельного расхо- да составляют 2,5- л/мин на 1 см диаметра коронки. Средние значения расхода находятся в пределах 25-30 л/мин при бурении в крепких кристаллических породах и 50- 60 л/мин - в осадочных. Технология отработки алмазных коронок должна обеспечивать наряду с достижением высокой механической скорости буре- ния еще и минимальный удельный расход алмазов. Система рациональ- ной отработки алмазных коронок предусматривает: Измерение алмазных коронок по наружному и внутреннему диаметрам производится штангенциркулем с точностью 0,01-0,05 мм, данные заме- ров записываются в ведомость учета работы коронок; Наличное количество коронок на буровой ранжируется по наружному диаметру, и в работу вначале пускаются коронки большего диаметра /для предупреждения законушения скважины/; При нормальном износе импрегнированные коронки отрабатываются полностью, а однослойные снимаются с работы при значительном обна- жении алмазов, до наступления момента их массового выпадения, Алма- зы из отработанных коронок в последующем извлекаются (рекупериру- ются) на заводе-изготовителе для повторного использования; Коронки подлежат снятию с работы при аномальных формах износа торца (образование канавок, уступов, фасок по кромкам матрицы), а также при наличии трещин по промывочным каналам матрицы. 7. БУРЕНИЕ СНАРЯДАМИ СО СЪЕМНЫМИ КЕРНОПРИЕМНИКАМИ Сущность этого способа состоит в использовании керноприемника, ко- торый после заполнения его керном извлекается на поверхность с помощью каната на лебедке без подъема бурильной колонны. К настоящему време- ни разработаны и применяются комплексы:CCК-46,59 и 76 (по диаметру ко- ронок соответственно), разработанные в ВИТРе и предназначенные для бу- рения в кристаллических породах преимущественно рудных месторожде- ний с использованием промывки водой или маловязкими жидкостями;КССК- 76, разработанный в СКБ и предназначенный для бурения в породах оса- дочного комплекса с промывкой более вязкими жидкостями. Использование снарядов со съемными керноприемниками обеспечивает повышение скорости бурения за счет сокращения времени спуско- подъемных операций и применения более высоких частот вращения, улуч- шение качества опробования при бурении, повышение срока службы обо- рудования и инструмента, облегчение условий труда рабочих. 7.1 СОСТАВ КОМПЛЕКСОВ И ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТОВ В состав комплексов входит: Специальная бурильная колонна с большим диаметром внутреннего ка- нала, обеспечивающим прохождение керноприемника; 28 Наружная колонковая труба, присоединяемая к бурильной колонне с по- мощью переходника; Породоразрушающий инструмент (коронка и расширитель), присоеди- няемый к наружной колонковой трубе; Съемный керноприемник; Ловитель (овершот) для извлечения съемного керноприемника; Лебедка с канатом; Комплект инструмента и приспособлений для проведения спускоподъем- ных операций и ликвидации аварий. Основные параметры комплексов Параметры ССК-46 ССК-59 ССК-76 КССК- 76 Глубина буре- ния,м 1000 1200 1200 2000 Нар.диаметр труб,мм 43 55 70 70 Толщина стенки труб, мм 4,8 4,8 4,8 5,0 Внутр. диа- метр корон- ки,мм 24 35,4 46, 40 Основные отличия комплексов ССК и КССК состоят в конструкции бу- рильной колонны и величине зазоров для прохода промывочной жидкости (в КССК они увеличены). Бурильная колонна ССК гладкоствольная по наружному и внутреннему диаметрам, соединением “труба в трубу” с помощью специальной трех- упорной конусной резьбы прямоугольного профиля. Такая резьба обеспе- чивает хорошую герметичность, но не выдерживает повышенных осевых нагрузок и плохо работает на изгиб. Трубы не имеют прорезей для прове- дения спускоподъемных операций. Бурильная колонна КССК муфтово-замкового соединения. Муфты и замки имеют больший, чем трубы, наружный диаметр, замки имеют проре- зи, что обеспечивает использование традиционного способа спуска и подъ- ема колонны. Бурильные трубы имеют на концах внутреннюю высадку. Съемный керноприемник состоит из узла раскрепления и захвата, узла подвески керноприемной трубы и керноприемной трубы с кернорвателем. Керноприемник фиксируется в наружной колонковой трубе от переме- щения в поперечном и продольном направлениях. Нижнее (рабочее) его положение фиксируется посадкой на опорную втулку, а от перемещения вверх при бурении керноприемник фиксируется раскрытием защелок. От радиального перемещения фиксируется в опорной втулке (вверху) и цен- траторе (внизу). Раскрепление керноприемника происходит при раскрытии подпружи- ненных защелок, которые при натяжении наголовника с помощью ловителя 29 и перемещении вверх подвижной втулки смыкаются и освобождают керно- приемник для транспортировки его на поверхность. Подвеска керноприемной трубы – на подшипниковом узле, что обеспечи- вает отсутствие ее вращения при бурении. Система подвески позволяет ре- гулировать зазор между торцом трубы и внутренним уступом коронки. В со- став этого узла входит резиновая манжета, которая при возникновении са- мозаклинивания керна воспринимает осевую нагрузку и сжимается, пере- крывая кольцевой зазор для прохода промывочной жидкости. Повышение давления насоса является сигналом возникновения самозаклинивания кер- на и необходимости извлечения керноприемника. Для срыва и удержания керна внизу керноприемной трубы размещено кернорвательное устройство. Срыв керна производится при подрыве бу- рильной колонны, при этом коронка упирается в корпус кернорвателя. При сборке керноприемника необходимо обеспечить верхний зазор ме- жду защелками и переходником в 2-3 мм для нормального раскрытия заще- лок и нижний зазор между корпусом кернорвателя и внутренним уступом коронки в 2-4 мм. Овершот предназначен для захвата и удержания керноприемника при его транспортировании внутри колонны бурильных труб. Он состоит из ка- натного замка, штока, к которому крепится корпус с продольными вырезами и подпружиненными защелками (лапами) и утяжелителя. Для отсоединения овершота от керноприемника в случае его заклинивания в бурильной ко- лонне при транспортировке на поверхность применяется съемный патрубок с прорезью, который одевается на канат и сбрасывается в колонну труб. Дойдя до защелок, он фиксирует их раскрытие. Породоразрушающий инструмент включает коронки и расширители. Ис- пользуются алмазные коронки, обладающие большим рабочим ресурсом. Для ССК разработан ряд коронок, из которых наибольшее применение находят следующие конструкции: - однослойная со ступенчатым профилем торца (3-5 ступеней), предназна- ченная для пород VIII-IX категории; применительно к ССК-59 шифр ко- ронки КО1. - зубчатая многосекторная коронка, аналогичная по конструкции 16А3, для пород V-VII категории ( К02). - Комбинированная, однослойная ступенчатая с импрегнированным пило- том, для пород X-XI категории (К08). Для КССК разработаны коронки: - К-30 зубчато-ступенчатая, для пород V-VII категории, - К-16 ступенчатая коронка, для пород VIII-IX категории. Кроме этих типов используются 17А3, К-41 и другие. Расширители сходны по конструкции с обычными для алмазного бурения (РСА-1,РЦК и др.). 7.2 ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ Особенности технологии бурения ССК и КССК определяются особенно- стями конструкции этих комплексов: Малый зазор между бурильной колонной и стенками скважины (1,5-3 мм ), что определяет необходимость использования маловязких жидкостей, 30 полимерных или воды, а также небольшой расход промывочной жидко- сти: при больших расходах резко возрастают давление насоса и силы гидроподпора. Тонкостенность бурильных труб и конструкция резьбовых соединений (ССК ) ограничивает величину осевой нагрузки: при превышении допус- тимых ее пределов может происходить бочкообразное вздутие резьб. По той же причине бурильные колонны ССК не выдерживают больших изги- бающих нагрузок. Гладкоствольность бурильной колонны и малые зазоры позволяют ис- пользовать частоты вращения более высокие, чем при обычном алмаз- ном бурении (особенно ССК). Увеличенная площадь торца коронок требует применения повышенных осевых нагрузок, особенно при бурении крепких пород, но они ограничи- ваются прочностью бурильной колонны. В соответствии с этим к технологии бурения снарядами со съемными керноприемниками предъявляются следующие основные требования: Конструкция скважин должна предусматривать минимальный зазор ме- жду бурильной колонной и обсадными трубами. В некоторых случаях ис- пользуют временную обсадную колонну минимального диаметра только для уменьшения зазора. Осевая нагрузка ограничивается верхними пределами: 1400 даН – для ССК-46, 1700 даН – для ССК-59, 2000 даН – для ССК-76, 2500 даН – для КССК-76. Частота вращения при бурении ССК выше, чем при обычном алмаз- ном бурении и ограничивается прочностью бурильной колонны и мощно- стью привода двигателя станка. Расход промывочной жидкости на 30-40% меньше, чем при обычном алмазном бурении и составляет для ССК примерно 12-15 л/мин при диа- метре бурения 46 мм, 15-20 л/мин при диаметре 59 мм и 20-25 л/мин при 76 мм. Скорость восходящего потока должна быть 0.6-0.8 м/с. При бурении КССК в связи с большей разработкой стенок скважины расход жидкости увеличивается до 50-60 л/мин. Промывочная жидкость должна хорошо очищаться от шлама. |