ВЫБОР ТИПА И МОДЕЛИ ДОЛОТА

В практике бурения скважин на воду получили распространение лопастные и шарошечные долота. Лопастные долота с успехом применяют в мягких и рыхлых породах. В последние годы применение двух- и трехлопастных долот с улучшенной геометрией и гидромониторной промывкой рабочих органов, а также лопастных долот, армированных специальным твердосплавным вооружением, позволяет разрушать породы средней твердости в режиме резания и истирания. Это долота ИР и ИРГ.

Гидромониторные долота в бурении на воду до настоящего времени не получили промышленного применения, что объясняется необходимостью использования буровых насосов и насосной арматуры, рассчитанной на более высокое давление и производительность. Минимально допустимая скорость истечения раствора из насадки для таких долот должна быть не менее 60—80 м/с. При дальнейшем увеличении скорости истечения улучшаются показатели бурения, причем не только в мягких породах, но и в породах средней твердости. Гидромониторные долота увеличивают скорость бурения на 200— 400%, а проходку на долото — до 50%. Таким образом, для целого ряда условий и в первую очередь для глубокого бурения переход на бурение гидромониторными долотами позволит значительно повысить скорости бурения.

Шарошечные долота применяют для бурения в скальных породах, глинистых сланцах и других породах средней и вышесредней твердости. Шарошечные долота в зависимости от назначения имеют следующий шифр:

М — самые мягкие, несцементированные пластичные породы (мягкие и вязкие сланцы, глины, слабые неабразивные известняки);
МС — мягкие пластичные породы средней твердости (меловые отложения, глинистые сланцы, соль и т. п.);

С — пластичные и хрупкопластичные породы (твердые глинистые и песчанистые сланцы, известняки средней твердости);

СТ — плотные хрупкопластичные породы средней твердости и абразивности (доломиты, загипсованные песчаники, зашгинизированные известняки и др.);

Т — твердые и хрупкопластичные плотные породы (твердые и плотные абразивные известняки, доломиты, крепкие сланцы и т. д.);

ТК и ОТК — очень твердые и крепкие хрупкопластичные скальные и абразивные породы (кремнистые сланцы, доломиты, известняки);

К и ОК —очень крепкие и абразивные хрупкие породы (кварциты, окремнелые доломиты, известняки и т. п.),

Для бурения в твердых и крепких породах используют шарошечные долота дробящего действия. В породах пластичных целесообразно применять долота дробяще-скалывающего действия. Долота этого типа имеют смещение осей цапф шарошек относительно оси долота, что ведет к проскальзыванию зубьев шарошек и скалыванию породы.

Индекс Г относится к гидромониторным долотам, например МГ, МСГ и др. Для бурения в абразивных породах применяют долота, армированные запрессованными твердосплавными зубцами с клиновидной рабочей частью. Долота этого типа имеют индекс 3, например М3, СЗ, ТЗ, ТКЗ. Выбор типа и марки долот — важное и ответственное мероприятие, которое осуществтяется с учетом опыта применения различных долот в данных и сходных геологических условиях.Правильный выбор рациональной частоты вращения, так же как и выбор осевой нагрузки на долото, должен основываться на знании и учете физико-механических и технологических свойств горных пород и в первую очередь таких, как прочность, абразивность, пластичность, упругость, хрупкость и др. С увеличением частоты вращения шарошечного долота, с одной стороны, уменьшается глубина разрушения за один оборот, а с другой — повышается число поражений забоя зубцами шарошек. Таким образом, существует максимум зависимости скорости бурения от частоты вращения. В хрупких породах этот максимум наблюдается при больших осевых нагрузках, чем в пластичных породах. Частоту вращения долота подбирают из условия достижения не только максимальной механической скорости бурения, но и достаточной проходки на долото, в противном случае рейсовая скорость будет низкой. Как уже отмечалось, в абразивных породах целесообразно бурить при низких частотах вращения долота, что связано с интенсивным износом его рабочих органов при высоких скоростях вращения. О. Н. Голубинцев (Воздвиженский, Мельничук, Пеша-лов, 1973) отмечает это явление и для пластичных пород. В практике бурения использование высоких частот вращения затрудняется имеющимся ресурсом мощности буровой установки, а также прочностью бурового вала, который на высоких частотах вращения испытывает значительные деформации, усталостные напряжения и подвергается разрушению.

ПРОМЫВКА СКВАЖИНЫ

Важным режимным параметром является количество промывочной жидкости, подаваемой на забой для удаления продуктов разрушения пород, охлаждения долота и поддержания стенок скважины в устойчивом состоянии. Промывка забоя скважины оказывает существенное влияние на скорость бурения. При недостаточной промывке снижается не только механическая скорость бурения, но и проходка на долото. В этом случае, если не представляется возможным увеличить интенсивность промывки, переходят на бурение с пониженной осевой нагрузкой (Беликов и др., 1973).

В. С. Федоров (1958) рекомендует определить необходимое количество жидкости из условия:


Минимально допустимый расход промывочной жидкости вычисляют также исходя из минимально допустимой скорости восходящего потока:
 

Размер бурильных труб выбирают в зависимости от диаметра бурения, причем скорость восходящего потока промывочной жидкости в затрубном пространстве должна быть не менее 0,8 м/с. Это связано с условиями нормального удаления продуктов разрушения породы из забоя.

Конечные диаметры бурения скважин на воду в зависимости от их целевого назначения, гидрогеологических и других условий колеблются в широких пределах, однако в большинстве случаев от 190 до 269 мм. Расчеты показывают, что относительно маломощные насосы 11 Гр не обеспечивают в этих условиях достаточно полного и своевременного удаления продуктов разрушения пород с забоя, поэтому механические скорости бурения низкие, часты прихваты бурового снаряда. Бурильные трубы диаметром 73 мм не отвечают указанным требованиям. Во многих организациях с успехом применяют бурильные трубы диаметром 89 и 114 мм, что не только решает проблему нормальной транспортировки шлама и увеличения скорости бурения, но и создает более благоприятные условия работы самих труб в скважине с точки зрения возникающих напряжений в теле этих труб.
 

Работами В. Г. Беликова и других авторов (1973) установлен сложный характер движения частиц породы в потоке. При определенных условиях шлам может перемещаться как к стенке скважины, так и к бурильной трубе. Современные теоретические решения по расчету минимально допустимой скорости подъема промывочного раствора не дают удовлетворительной сходимости с данными практики: удаление шлама происходит при значительно меньших значениях скоростей подъема. Это объясняется тем, что вращение колонны труб нарушает структурный режим потока и приводит к развитию зон турбулентного режима.

С целью интенсификации подъема бурового шлама потоком промывочной жидкости Д. Н. Башкатовым, В. Л. Ваксманом, Ю. М. Носовским, В. Н. Меньковским предложена конструкция специальных лопастей-турбу-лизаторов, устанавливаемых через определенные интервалы на бурильных трубах. Наличие лопастей на бурильных трубах способствует увеличению скоростей движения потока в затрубном пространстве и образованию зон турбулентности, что 'вызывает более интенсивный подъем бурового шлама и повышение скорости бурения.