Бурение твердыми сплавами

Твердыми сплавами бурят осадочные, а также некоторые метаморфические и изверженные породы, относящиеся к I—VII категориям по буримости. Кроме того, твердосплавными корон ками успешно бурятся бескварцевые породы VIII—IX категорий (габбро, базальты, пироксены и др.).
Для армирования коронок колонкового бурения применяются резцы из вольфрамо-кобальтовых металлокерамических твердых сплавов марок BK 6В и ВК-8В, Основная часть этих сплавов — порошкообразный карбид вольфрама CW, сцементированный кобальтом Co. Карбид вольфрама придает сплаву твердость, а увеличение процентного содержания кобальта, указываемого в марке сплава, повышает его вязкость.
Форма и размеры твердосплавных резцов (рис. 45) должны соответствовать физико-механическим свойствам буримых пород.
Резцы по определенной схеме размещаются в пазах короночного кольца и припаиваются к нему латунью Л68. По назначению резцы твердосплавных коронок подразделяются на основные и подрезные.

Основные резцы разрушают породу по кольцевой площади забоя. Они выпускаются под торец короночного кольца, а также выступают за его наружную и внутреннюю боковые поверхности, перекрывая поперечное сечение торца коронки. Выпуск резцов на сторону делается для подработки стенок скважины и боковой поверхности керна с целью обеспечения нормальной циркуляции промывочной жидкости и свободного выноса шлама.
Подрезными резцами дополнительно укрепляются наружная и внутренняя поверхности корпуса коронки для предупреждения ее быстрого износа и обеспечения калибровки скважины.
Выпуск резцов под торец коронки может быть одинаковым или различным. В последнем случае забою придается ступенчатая форма, этим достигается более эффективное разрушение пород.
Выпуск резцов принимается в зависимости от твердости и механических свойств пород. Для работы в твердых породах выпуск резцов за боковые поверхности должен быть 0,5—1 мм; под торец — 1,5—2,5 мм, в мягких породах соответственно 3—6 и 5—6 мм. При бурении в трещиноватых породах во избежание выкрашивания и поломки резцов величина их выпуска уменьшается.
Резцы в коронке могут быть расположены параллельно оси вращения или наклонно к ней — в направлении вращения коронки (положительный угол) или против него (отрицательный угол). Применение коронок с положительным углом расположения резцов эффективно в мягких породах, а с отрицательным углом — в твердых абразивных породах. Резцы могут быть также повернуты относительно радиуса коронки, образуя двугранный угол резания.
Резцы рекомендуется затачивать, придавая им угол приострения: для бурения в нетрещиноватых породах I—IV категорий — 45—50°, в породах V—VII категорий буримости — 55—65°.
Для уменьшения гидравлических потерь при движении промывочной жидкости на боковой поверхности короночного кольца и в нижней части его корпуса вырезаются промывочные каналы.
Для бурения мягких неоднородных по твердости, а также вязких набухающих в промывочной жидкости пород предназначены ребристые коронки M-1, М-2 и М-5.
К боковой поверхности этих коронок приварены три-четыре ребра, армированные твердосплавными резцами. Ребра создают увеличенный зазор между колонковой трубой и стенками скважины, обеспечивая свободный проход промывочной жидкости.
Коронки M-1 и М-2 в настоящее время серийно не выпускаются.
Коронка М-5 (рис. 46) оснащена ребрами-резцедержателями, имеющими большой выпуск из-под торца и за боковые поверхности короночного кольца, что обеспечивает возможность работы на повышенных параметрах режима бурения.

В торец резцедержателей впаяны полые резцы восьмигранной формы.
Режущие кромки резцов выступают из торца на разную высоту, образуя при бурении ступенчатый забой. Для улучшения калибровки скважины наружная часть каждого ребра армирована пластинчатым подрезным резцом.
Характеристика коронок приведена в табл. 15.

Для бурения малоабразивных пород средней твердости при меняются резцовые коронки CM и CT с ориентированно вставленными резцами твердых сплавов (рис. 47).
Коронка СМ-3 армируется пустотелыми восьмигранными резцами. В качестве подрезных резцов используются вставки, имеющие форму четырехгранной призмы.
Коронка СМ-4 армируется квадратными призматическими резцами (сечение 4x4 мм), вставленными в короночное кольцо под отрицательным углом 15° Вместе с тем резцы повернуты во круг собственной оси на 25е и образуют двугранный передний угол. По торцу короночного кольца основные резцы расположены тремя концентрическими рядами. Наружные, внутренние и средние резцы возвышаются над торцом коронки соответственно на 2,5; 3,5; 4 мм, поэтому в процессе бурения образуется ступенчатый забой, что облегчает разрушение породы. Выпуск резцов за боковые поверхности коронки составляет 1,5 мм. Для обеспечения износостойкости коронки по наружному диаметру в ее промывочных каналах установлены подрезные резцы.

Коронки СМ-5 и СМ-6 армируются квадратными призматическими резцами (сечение 3X3 мм) Резцы повернуты вокруг своей оси на 10—15°, а в коронке СМ-6 установлены, кроме того, с наклоном, образуя отрицательный угол 15°. В коронке CM 5 резцы ориентированы параллельно оси коронки. В каждом зубке короночного кольца расположены по три резца — наружный, внутренний и средний. По торцу коронки резцы расположены в четыре концентрических ряда. Выпуск резцов над торцом короночного кольца ступенчатый. Для увеличения стойкости коронок по наружному диаметру в промывочных каналах установлены наружные подрезные резцы, развернутые относительно оси на 10°.
Коронка СТ-2 армирована квадратными призматическими резцами (такими же, как в коронке СМ-4), установленными с образованием двугранно-отрицательных углов. Резцы расположены двумя концентрическими рядами. Резцы наружного и внутреннего рядов возвышаются над торцом короночного кольца соответственно на 2 и 3 мм. В промывочных каналах коронки установлены подрезные резцы.
Для бурения абразивных пород VI—VIII и частично IX категорий буримости применяются самозатачивающиеся коронки типа CA (рис. 48), характерной особенностью которых является наличие твердосплавных резцов с небольшой площадью поперечного сечения и опорных пластин, что обеспечивает само затачивание резцов и эффективное разрушение породы, несмотря на затупление их режущих граней.
Коронка CA-1 армирована твердосплавными пластинчатыми резцами толщиной 0,7 мм, припаянными к стальным опорным пластинам, которые в свою очередь пайкой закрепляются в прямоугольных гнездах корпуса коронки. Для сохранения наружного и внутреннего диаметров коронки к боковым поверхностям опорных пластинок припаиваются подрезные резцы.

Коронка СА-4 в качестве основных резцов имеет твердосплавные пластины малого сечения с углом заточки 65°. Резцы вставлены ориентированно так, что передние грани образуют двугранно отрицательные углы. Под торец короночного кольца резцы выпущены на 2,5—3,5 мм, образуя ступенчатый забой. С целью увеличения стойкости по диаметру, коронка оснащена наружными подрезными резцами.
Коронки СА-5 и СА-6 оснащены вставками, в которых размещены два или три (через вставку) основных резца сечением 1,8x1,8 мм и подрезные резцы формы Г-51. Гребенчатое расположение резцов в коронке повышает эффективность разрушения породы. Расположение резцов во вставках исключает поломки тонких основных пластин и способствует увеличению стойкости коронок.
Внутренний диаметр коронок СА-5 и СА-6 соответствует внутреннему диаметру алмазных коронок, что обеспечивает их использование при комбинированном алмазно твердосплавном бурении.
Первоначально коронки СА-4, СА-5 и СА-6 работают как резцовые. По мере притупления заостренной части резцов коронки становятся самозатачивающимися.
Осевая нагрузка обусловливает глубину внедрения резцов коронки в породу и интенсивность ее разрушения. Однако необходимо иметь в виду, что чрезмерная нагрузка на инструмент может привести к искривлению скважины и поломке бурильных труб, а при бурении твердых пород — к поломке резцов коронки.
Осевая нагрузка (H) на инструмент при твердосплавном бурении принимается из расчета удельной нагрузки на один основной резец коронки

где C0 — удельная нагрузка на один резец коронки, принятая в соответствии со свойствами буримых пород, а также формой и размерами резцов коронки, H (см. табл. 15); m — количество основных резцов в коронке.
Частота вращения (с-1) снаряда определяется по величине средней окружной скорости коронки, принятая в соответствии с характером буримой породы,

где v — средняя окружная скорость коронки, м/с (см. табл. 15); D — наружный диаметр коронки, м.
При бурении трещиноватых и абразивных пород необходимо брать нижние пределы рекомендуемых величин окружной скорости, так как при высоких их значениях коронка быстрее выходит из строя.
Количество промывочной жидкости (м3/с), которое нужно подавать в скважину для ее очистки, определяется по формуле

где vп — скорость восходящего потока промывочной жидкости в кольцевом пространстве между стенками скважины и колонной бурильных труб, м/с (обычно vп=0,2—0,8 м/с); D и d — диаметр скважины и наружный диаметр бурильных труб, м.
Скорость восходящего потока промывочной жидкости принимается в зависимости от буримости пересекаемой скважиной породы. С ростом скорости углубления скважины и интенсивности шламообразования скорость восходящего потока промывочной жидкости необходимо увеличивать.
При этом следует иметь в виду, что с повышением скорости восходящего потока промывочной жидкости возрастает размывание стенок скважины и керна. Если количество промывочной жидкости приходится ограничивать для предупреждения размыва керна, необходимо в состав снаряда включать шламовую трубу.
С целью предупреждения накопления в скважине шлама перед началом бурения в очередном рейсе необходимо в течение некоторого времени промывать скважину при полной подаче насоса.
Практически необходимое количество закачиваемой в скважину промывочной жидкости чаще определяют (м3/с) из расчета на 1 мм диаметра коронки

где q — удельный расход промывочной жидкости на 1 мм диаметра коронки, м3/с (см. табл. 15); D — диаметр коронки, мм.
Приведенные в табл. 15 рекомендации параметров режима бурения имеют усредненный характер. В процессе разведки конкретных месторождений необходимо добиваться наивыгоднейших сочетаний указанных выше параметров, которые обеспечивают наиболее высокие в данных геолого-технических условиях технико-экономические показатели при высоком качестве проведения скважин на базе рационального использования оборудования.
Режим бурения в мягких породах следует устанавливать с учетом того, что рыхлые и мягкие породы I—IV категорий буримости (песок, мел, лёсс, мергель, глина, суглинок) быстро разрушаются резцами коронок. При этом стенки скважины малоустойчивы, а керн легко размывается и разрушается.
В слабоустойчивых породах необходимо бурить быстро, без перерывов в работе. Для предупреждения обрушения стенок скважины в качестве промывочной жидкости следует применять глинистый раствор.
При прекращении циркуляции промывочной жидкости для предупреждения прихвата снаряда оседающими частицами шлама его нужно приподнять над забоем.
Заклинивание керна при бурении мягких пород производится путем затирки всухую. Перед затиркой керна рекомендуется в колонну бурильных труб сбрасывать шаровый клапан, который перекрывает отверстие переходника и предупреждает выдавливание керна столбом жидкости, находящейся в бурильных трубах, при извлечении снаряда из скважины.
При бурении пород средней твердости и твердых решающее влияние на скорость углубления скважины оказывают осевая нагрузка на инструмент и частота вращения снаряда. Промывка играет подчиненную роль.
Увеличение осевой нагрузки и частоты вращения снаряда до определенного предела способствует росту механической скорости проходки. Однако бурение с большой частотой вращения снаряда в абразивных и трещиноватых породах приводит к повышенному износу резцов, что снижает производительность работы коронки, а это приводит к уменьшению времени чистого бурения и увеличению времени на спуско-подъемные операции для смены сработанных коронок. Поэтому при бурении абразивных пород следует принимать низшие пределы окружной скорости снаряда (см. табл. 15) и верхние значения удельной нагрузки на резец.
Удельное давление на резец коронки с заточенными резцами в начале бурения должно быть пониженным, а по мере затупления резцов к концу рейса его доводят до максимально допустимого.
В породах средней твердости и твердых бурят с промывкой водой или глинистым раствором. Рост осевой нагрузки и частоты вращения снаряда требуют увеличения количества подаваемой в скважину промывочной жидкости. Заклинивание керна при бурении пород средней твердости и твердых производят кернорвателями или битым стеклом, кварцем, кусочками алюминиевой проволоки и т. п.