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