Лекция № 5

ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ КОЛОНКОВОГО БУРЕНИЯ

План

• 1 Общие сведения о породоразрушающих инструментов
• 2 Колонковые наборы, бурильные трубы, обсадные трубы
• 3 Твердосплавные коронки, алмазные коронки и буровые долота

Цель: изучение используемые инструменты для колонкового бурения, типы и конструкции бурильных труб, типы и конструкции породоразрушающих инструментов и их применение.

Общие сведения об породоразрушающих инструментов. Для бурения скважин применяют наборы бурового инструмента, называемые буровыми снарядами. Состав бурового снаряда зависит от способа бурения.

При вращательном бурении с отбором керна буровой снаряд состоит из колонкового набора, колонны бурильных труб и бурового сальника (или вертлюга-сальника).

При ударно-вращательном бурении в буровой снаряд дополнительно включают гидравлическую или пневматическую забойную машину.

Для предупреждения и гашения вибраций инструмента в состав буровых снарядов могут быть введены виброгасители.

Колонковые наборы. Колонковые наборы (рис. 1) предназначены для разрушения горных пород, приема керна, срыва и удержания его при подъеме из скважины.

Буровые коронки, предназначенные для разрушения горных пород и формирования керна, могут быть армированы резцами твердого сплава, сверхтвердого синтетического материала или алмазами. Наружные диаметры коронок унифицированы, что позволяет чередовать их в работе в соответствии с механическими и абразивными свойствами горных пород.

Кернорватели служат для отрыва керна от массива и удержания его в колонковой трубе при подъеме на поверхность. При колонковом бурении наиболее распространены кернорватели с кольцевой конической пружиной, размещенной в цилиндрическом корпусе с внутренней конической расточкой. Пружинное кольцо кернорвателя разрезано по образующей, что обеспечивает плотный обхват керна, несколько отличающегося по диаметру.

Колонковые трубы предназначены для приема и сохранения керна. На концах труб нарезана внутренняя цилиндрическая трапецеидальная резьба с шагом 4 мм и углом наклона боковых сторон профиля 5°. Колонковые трубы поставляют длиной 1,5−6 м. При больших углубках за рейс колонковые трубы могут быть соединены ниппелями.

Для ударно-вращательного бурения с использованием пневмоударников и иногда гидроударников применяют более прочные и износостойкие колонковые трубы, изготавливаемые из ниппельных заготовок или толстостенных (6−7 мм) труб.

Переходники, входящие в состав колонковых наборов, предназначены для соединения бурильных труб с колонковой или с колонковой и шламовой трубами. Диаметр корпуса переходника превышает на 0,5—3 мм наружный диаметр соответствующей колонковой трубы.

Шламовые трубы служат для сбора шлама в процессе бурения. В состав колонкового набора их включают в тех случаях, когда скорость восходящего потока промывочной жидкости или газа недостаточна для выноса крупных и тяжелых частиц шлама. С переходником шламовая труба соединяется по левой резьбе, что исключает отвинчивание ее в процессе бурения.

Бурильные трубы. Колонна бурильных труб представляет собой разъемный полый вал, предназначенный для спуска и подъема колонкового набора, передачи породоразрушающему инструменту крутящего момента от вращателя станка и осевой нагрузки, нагнетания к забою промывочной жидкости или сжатого воздуха. При бурении с гидроили пневмотранспортом керна колонна бурильных труб является каналом, по которому керн и шлам транспортируются на поверхность потоком жидкости или газа.

При геологоразведочном бурении применяют в основном стальные бурильные трубы (СБТ), положительные результаты получены при использовании бурильных труб из легких сплавов (ЛБТ).

Для бурения геологоразведочных скважин применяют бурильные трубы, соединяемые ниппелями, муфтами и замками или непосредственно труба в трубу.

Обсадные трубы. Обсадные трубы предназначены для крепления неустойчивых стенок скважины, изоляции водоносных горизонтов и зон поглощения промывочной жидкости.

В геологоразведочном бурении применяют цельнотянутые гладкостенные обсадные трубы, соединяемые ниппелями или непосредственно труба в трубу. В обоих случаях на трубах нарезана цилиндрическая трапецеидальная резьба с шагом 4 мм и углом наклона боковых сторон профиля 5°. Безниппельное соединение имеет трубы диаметром 33,5, 44, 57, 73 и 89 м, а ниппельное — от 73 до 146 мм. Обсадные трубы ниппельного соединения имеют те же размеры, что и колонковые трубы.

Твердосплавные коронки

Твердосплавные коронки (рис. 2) применяют для колонкового бурения пород I-VIII и частично IX категорий по буримости. Корпус коронки представляет собой стальное кольцо, верхняя часть которого имеет внутреннюю коническую расточку (конусность 1:8 или 1:16) для заклинивания керна и наружную резьбу для соединения с колонковой трубой. Короночные кольца имеют следующие диаметры (в миллиметрах):

Наружный 34,5 44,5 57,5 74 90−91 109−110 129−130 148−149.

Внутренний 22,5 32,5 45,5 61 77 96 106 135.

В нижней части кольца выполнены промывочные каналы, образующие в корпусе выступы — зубки. Твердосплавные резцы размещены в гнездах зубков и припаяны латунью.

Резцы должны перекрывать торец кольца и возвышаться над ним, выступая за наружную и внутреннюю поверхности, что обеспечивает возможность погружения резцов в горную породу и создает зазоры для циркуляции промывочной жидкости и удаления шлама.

В коронках для бурения пород средней твердости выход резцов за наружную поверхность короночного кольца находится в пределах 0,75−1,5 мм, а для бурения мягких пород I-IV категорий он достигает 10−11 мм, для чего резцы размещают в приваренных к корпусу ребрах.

По назначению твердосплавные коронки разделяют на три группы: для бурения мягких пород (М), малообразивных пород средней твердости (СМ и СТ) и абразивных пород средней твердости (СА).

Алмазные коронки. Алмазные коронки применяют для бурения пород V-XII категорий по буримости. Коронка состоит из стального корпуса и припаянной к нему алмазосодержащей матрицы.

В отечественной практике применяют коронки с металлокерамическими матрицами, основой которых является порошок карбида вольфрама.

Для армирования бурового инструмента применяют технические алмазы зернистостью от 2—5 до 400—600 и более штук на 1 кар (0,2 г). В последние годы исследуется возможность применения в буровых коронках алмазов зернистостью до 12 000 шт./кар.

Алмазы, установленные в коронке, разделяют на объемные и подрезные. Объемные алмазы размещены на торцевой части матрицы и разрушают породу забоя. Подрезные, установленные на ее наружной и внутренней боковых поверхностях, калибруют стенки скважины и керн, предохраняя коронку от быстрого износа по наружному и внутреннему диаметрам.

В зависимости от способа распределения в матрице объемных алмазов коронки разделяют на однослойные, многослойные и импрегнированные.

В однослойных коронках (рис. 3, а) алмазы расставлены на рабочей поверхности матрицы в один слой по определенной схеме, зависящей от назначения коронки.

В многослойных коронках (рис. 3, 6) объемные алмазы расположены в три слоя с раскладкой в каждом ряду также по определенной схеме. При износе алмазов первого слоя вступают в работу зерна второго слоя, а затем — третьего.

В импрегнированных коронках (рис. 3, е) объемные алмазы распределены в слое матрицы высотой 4−5 мм от торца путем механического перемешивания их с шихтой матрицы, последующего прессования и спекания. Импрегнированные коронки работают как самозатачивающиеся до полного износа по высоте армированной части матрицы.

Однослойные коронки применяют для бурения пород V-IX и частично X категорий по буримости. Их армируют сравнительно крупными алмазами зернистостью от 3−5 до 60−90 шт./кар. Эти коронки изготовляют с заданным выпуском алмазов, составляющим 20−30% их линейного размера (коронки типов 16АЗ, 15АЗ, А4ДП, 04АЗ, 05АЗ, 07АЗ).

Многослойные коронки 01МЗ и 01М4, предназначенные для бурения соответственно в породах средней абразивности и абразивных IX-XI категорий, армированы объемными алмазами зернистостью 60−120 шт./кар. Эти коронки в последнее время вытесняются импрегнированными.

Импрегнированные коронки имеют алмазы зернистостью 90- 400 шт./кар и более. Импрегнированные коронки 02ИЗ используют при бурении малоабразивных монолитных пород X-XII категорий, 02И4 — абразивных и трещиноватых пород XI-XII категорий, а 03И5 — высокоабразивных и трещиноватых пород XI-XII категорий.

Буровые долота. Буровыми долотами называют породоразрушающие инструменты для бескернового бурения или для бурения с отбором керна, диаметр которого существенно меньше диаметра долота. Долота для бурения с отбором керна, называемые колонковыми, применяют при разведочном бурении на нефть и газ.

В зависимости от характера воздействия на породу буровые долота для вращательного бурения разделяют на режущие и ударно-режущие. Долота режущего действия — лопастные и алмазные — разрушают горную породу резанием и истиранием. Долота ударно-режущего действия — шарошечные — разрушают горную породу дроблением или дроблением и скалыванием.

Двухлопастные долота типа 2Л (рис. 4, а) предназначены для бурения мягких пород I-IV категорий. Долото состоит из корпуса 2 с пояском 1 для маркировки и двух лопастей 3, нижние кромки и боковые поверхности которых армированы релитом или твердосплавными пластинками 4. Лопасти долота могут быть сплошными или прерывистыми, с прямолинейной или ступенчатой режущей кромкой. Долота ступенчатые и с прерывистыми лопастями обеспечивают при равных осевых нагрузках более высокую механическую скорость бурения. В корпусе имеется отверстие 5 для промывки.

Двухлопастные долота типа ДР для бурения геологоразведочных скважин выпускают двух типов: типа М диаметром 132 мм (рис. 4, 6) для бурения мягких пород (ЗДР-132М) и типа МС диаметрами 132, 112 и 93 мм для бурения мягких пород с прослойками пород средней твердости (6ДР-132МС, 14ДР-112МС, 7ДР-93МС).

Шарошечные долота предназначены для бурения пород III категорий по буримости. Наиболее эффективны они при разрушении пород VI-X категорий. Шарошечные долота малых Диаметров состоят из секций (лап) 8 (рис. 5, а), нижние концы которых выполнены в виде цапф 6. На цапфах свободно вращаются шарошки / с зубчатыми венцами 2, смонтированные на роликовом 3 и шариковых 4 и 5 подшипниках. Шарикоподшипник 5 является замком, удерживающим шарошку от осевого перемещения. Шарики этого подшипника закладывают в опору через отверстие 7, которое затем закрывают заглушкой и заваривают. Секции соединяют сваркой и на верхнем конце долота нарезают резьбу для соединения с бурильной колонной. Для подачи к забою промывочной жидкости в долоте предусмотрен подводящий канал 9.

Элементами, разрушающими горную породу, являются зубья шарошек, расположенные несколькими венцами. При вращении нагруженного долота шарошки перекатываются по забою, а зубья наносят удары по породе и разрушают ее. Зубья и калибрующие конуса шарошек наплавляют зернистым твердым сплавом с целью увеличения износостойкости.

Шарошечные долота изготовляют с одной, двумя или тремя шарошками. Наиболее распространены трехшарошечные долота, обладающие достаточно прочными опорами и обеспечивающие хорошую калибровку ствола скважины при сравнительно небольшом естественном искривлении. Двухшарошечные долота, применяемые в основном для бурения геологоразведочных скважин, требуют меньших осевых нагрузок, проще в изготовлении, но быстрее изнашиваются по диаметру.

В зависимости от материала, из которого изготовлены породоразрушающие элементы шарошек, различают долота со стальным, твердосплавным и комбинированным вооружением.

Долота со стальными фрезерованными (кованными или литыми) зубьями шарошек выпускают следующих типов: М — для мягких пород I—III категорий;

МС — для мягких пород с прослойками средней твердости;

С — для пород средней твердости IV—V категорий; СТ — для пород средней твердости с прослойками твердых; Т — для твердых пород VI—VII категорий.

Контрольные вопросы

• 1. Какие типы имеются породоразрушающих инструментов?
• 2. Какие трубы предназначены для крепления неустойчивых стенок скважины?
• 3. Для какой цели предназначены колонковые наборы и его состав?
• 4. Для каких пород применяются алмазные коронки?
• 5. Как называются породоразрушающие инструменты для бескернового бурения?

• 1. Радионов Н. С., Ганзен Г. А. и др. Горное и буровое оборудование М., «Недра» 1983 г.
• 2. Волков А. С. буровой геологоразведочный инструмент. М., «Недра» 1979 г.

Допольнительные литературы

• 3. Куличихин Н. И., Родионов Н. С., Ганзен Г. А. Буровое оборудование. М., «Недра» 1973 г.
• 4. Володин Ю. Н. Разведочное бурение. М., «Недра» 1972 г.
• 5. Кирсанов А. Н., Зиненко В. П., Кардыш В. Г. Буровые машины и механизмы. М., «Недра» 1981 г.
• 6. Журналы («Горный вестник Узбекистана», «ТДТУ хабарлари», «Техника юлдузлари», «Горный журнал», «Горно-аналитический бюллетень», «Mining Journal», «Miming and Metallurgy», «Mining Technology»).
• 7. Сайты: http://www.msmu.ru/, http://msmu.ru/index.,