Модернизация инструмента для бурения вертикальных технических скважин большого диаметра

В.А. Хоменко, д.т.н., проф.,
В.В. Хоменко, к.т.н., ст. преподаватель, Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова

Буровой способ проходки технических скважин большого диаметра имеет очевидные преимущества перед буровзрывным способом в связи с резким сокращением вспомогательных работ. В то же время эффективность этого способа проходки в значительной степени зависит от прочностных характеристик породоразрушающих органов буровых инструментов и характера взаимодействия их с породой.

С учетом вышесказанного проведен комплекс мероприятий по модернизации бурового инструмента для бурения технических скважин большого диаметра, направленных на повышение его стойкости и улучшение технологических характеристик процесса бурения.

Бурение технических скважин большого диаметра по технологии, принятой на горнодобывающем предприятии, производится с последовательным расширениям диаметра скважин по ступеням: 0.193 м; 0.450 м; 0.813 м; 1.219 м; 2.0/2.4 м. При этом пилотную скважину бурят с помощью шарошечного долота диаметром 0.193 м коническими шарошками, а расширение полученной скважины до диаметра 1.219 м производят с помощью литых цилиндрических шарошек. Дальнейшее расширение скважины осуществляют с помощью дискового расширителя до диаметра 2.0 м или 2.4 м.

Рис. 1 Дисковая шарошка с модернизированным породоразрушающим органом (а.с. №1816019)

Объектом модернизации явился буровой инструмент расширителя, представляющий собой набор дисков диаметром от 0.414 до 0.788 м. В набор входит 24 диска. Расширительное бурение осуществлялось в одну ступень до диаметра 2.0 или 2.4 м. Выбор объекта модернизации связан с низкой стойкостью дискового породоразрушающего инструмента и недостаточной эффективностью разрушения им горных пород.

Так, механическая скорость бурения при расширении скважины до диаметра 0.450 м составила 14.6+10–4 м/с, диаметра 0.813 м – 10.8+10–4 м/с, диаметра 1.219 м – 6+10–4 м/с, диаметра 2.4 м – 1.5+10–4 м/с. При этом стойкость конических и цилиндрических шарошек, используемых при расширении скважин до диаметров 0.450–1.219 м составила 300 м, а стойкость дисковых шарошек – 60 м (с учетом двукратного восстановления породообразующего органа).

Породоразрушающая часть дисковых шарошек расширителей диаметром 2.0/2.4 м представляет собой гладкую кольцевую поверхность, наплавленную рэлитом. Разрушение кольцевой части забоя происходит за счет образования канавок на разрушаемом уступе породы при перекатывании диска и скалыванию породы в сторону обнажения под воздействием значительных по величине осевых нагрузок.

Анализ взаимодействия дисков с забоем показывает, что наряду с качением дисков по кольцеобразному уступу имеет место проскальзывание дисков по породе, что приводит к повышенному износу его породоразрушающей части. При этом разрушение породы происходит, в основном, за счет статических нормальных и касательных усилий, возникающих при взаимодействии дискового инструмента с забоем.

Следовательно, для повышения эффективности разрушения породы необходимо изменить характер взаимодействия инструмента с забоем, что было достигнуто за счет модернизации породоразрушающего органа дисковой шарошки. Модернизация дисковой шарошки заключается в том, что породоразрушающая часть ее выполнена из отдельных сегментов 1, в которых закреплены твердосплавные вставки 2, 3 (рис. 1).

Радиус кривизны сегмента r меньше радиуса дисковой шарошки R, что обеспечивает получение рабочей поверхности переменной кривизны в сечении перпендикулярном оси инструмента. При бурении дисковая шарошка перекатывается по забою выработки. При этом твердосплавные вставки 2 создают кольцевые углубления, а калибровочные твердосплавные вставки 3 формируют стенку скважины.

В связи с тем, что радиус кривизны сегментов r выполнен меньше радиуса дисковой шарошки R, твердосплавные вставки 2, находящиеся в средней части сегмента, производят удар по кольцевому забою, при этом на забой передаются высокие динамические нагрузки, что приводит к интенсивному разрушению горной породы.

Промышленные испытания модернизированных дисковых шарошек проведены на горнодобывающих предприятиях при бурении технических скважин диаметром 2.4 м. Расширительное бурение скважины осуществляли в одну ступень с помощью дискового расширителя БЕ-241, оснащенного 24 модернизированными дисковыми шарошками диаметром от 0.414 до 0.788 м.

Горные породы, в которых осуществлялась проходка технических скважин большого диаметра, представлены, в основном, песчаниками крепостью f = 4–6 по шкале проф. М.М. Протодьяконова.

Налегающие породы и почва – сильно обводненные песчаники той же крепостью. Песчаники – тонкозернистые, мелкозернистые и крупнозернистые породы от грязно-белой до темно-серой и черной окраски. Цемент песчаников поровый, по составу глинистый и частично регенерационный кварцевый. Песчаники составляют 40–70%, мощность прослоев их до 15 м. Кроме того, встречаются прослои алевролитов и глин мощностью от 0.3 до 1.2 м. Глинистые минералы представлены каолинитом и диккитом. Темно-серая окраска обусловлена наполнением цемента органическим веществом. Алевролиты обладают зеленовато-серой до темно-серой окраской, плотные, включают слойки белового кварцевого песка. В обломочной фракции присутствует кварц, различные слюды, растительный детрит. Размер обломков 0.03–0.15 мм, количество – 70–80%. Цемент базальтный, глинистый, преимущественно каолинитовый.

Результаты испытаний подтвердили высокие эксплуатационные характеристики модернизированного инструмента: при увеличении средней механической скорости бурения в 1.5 раза, достигнуто повышение стойкости твердосплавного вооружения в 5 раз. Величина средней механической скорости составила 1.56+10–4 м/с против 1.0+10–4 м/с при использовании серийных дисков; стойкость модернизированных дисков составила 300 м против стойкости серийных наплавленных дисков 60 м.

Журнал "Горная Промышленность" №3 2009, стр.42