Вибір техніки і технології буріння в заданих умовах
Внаслідок того, що на тверді корисні копалини доводиться бурити в усіх породах, що є в земній корі, їх властивості і умови буріння можуть суттєво відрізнятися. Тому правильний вибір техніки і технології буріння має великий вплив на показники бурових робіт. До факторів, що впливають на цей вибір, належать, в першу чергу, категорія буримості, яка певним чином відображає механічні властивості порід, і глибина буріння.

Спосіб буріння вибирається відповідно до категорії порід:

– від першої до сьомої (частково восьмої) – твердосплавний;

– від восьмої (частково сьомої) до дванадцятої – алмазний.

Залежно від вибраного способу буріння вибирається тип коронки. Для твердосплавного буріння в породах від першої категорії до четвертої включно – ребристі (М або КР), від п'ятої до сьомої малоабразивних – різцеві (СМ), від п'ятої до сьомої абразивних – самозагострювальні (СА).

Для алмазного буріння в монолітних малоабразивних породах сьомої – дев'ятої категорії – одношарові коронки (тип А), в абразивних тріщинуватих дев'ятої – дванадцятої категорії – імпрегновані (типу И).

При виборі конструкції бурового снаряда враховується спосіб буріння. Для твердосплавного буріння снаряд складається з трьох частин: коронка, колонкова труба, перевідник з колонкової труби на бурильну колону. В окремих випадках, коли продуктивність насоса не забезпечує винос шламу на поверхню, в конструкцію бурового снаряда включають шламову трубу відкритого типу. Для алмазного буріння, окрім названих елементів, додається ще розширювач (калібратор) з керновідривачем.

На вибір діаметра коронки впливає багато факторів, але здебільшого рекомендують застосовувати алмазні коронки діаметром 46–76 мм (рідко 93 мм), а твердосплавні – 93–132 мм. Діаметри решти складових частин підбирають, виходячи з діаметра коронки. Діаметри коронок повинні бути на 2–4 мм більшими порівняно з колонковими трубами (табл. 1). Виключення складають ребристі коронки, з якими застосовують колонкові труби наступного меншого суміжного діаметру. Наприклад, з ребристою коронкою 112 мм треба застосовувати колонкову трубу 89 мм, а не 108 мм, як з коронками СМ і СА. В такому випадку різниця діаметрів буде вже 23 мм замість 4 мм.

Діаметри колонкових труб і перевідників однакові. А діаметр калібратора (розширювача) дорівнює діаметру коронки.

Вибір бурильних труб починається з вибору типу з'єднань: для алмазного буріння ніпельно-замкове, для твердосплавного – муфтово-замкове. Діаметр труб рекомендується вибирати відповідно до діаметру коронки (табл 2,3,4).

Відбір керна залежить від категорії буримості порід і способу буріння. Для твердосплавного буріння застосовують або затирання «всуху» (для порід першої – четвертої категорій включно) або із застосуванням заклинювального матеріалу (для порід п'ятої – сьомої категорій). Для алмазного (незалежно від категорії) – керновідривачі аби запобігти руйнуванню алмазів у коронці. Діаметр обсадної колони, якщо вона потрібна, вибирається відповідно до діаметра коронки, яка має проходити крізь неї. А діаметр коронки для буріння під обсадну колону повинен забезпечувати її вільне проходження.

Режим буріння вибирається виходячи з категорії порід і способу буріння.

Для твердосплавного буріння навантаження на коронку розраховується виходячи з рекомендованого питомого навантаження на один різець (або штабік), яке залежить від категорії порід (табл. 6,7,8,9). Швидкість обертання розраховується виходячи з рекомендованої лінійної швидкості і руху різця, яка залежить від категорії порід, її тріщинуватості і абразивності. А витрати промивальної рідини – з рекомендованої швидкості висхідного потоку, або питомих витрат на 1 см (табл. 11). Розраховані витрати коректуються з характеристикою вибраного насоса (табл. 12, 13)

Для алмазного буріння навантаження розраховується за питомим навантаженням на одиницю площі торця коронки, де містяться алмази, або на один карат алмазів. Перевага надається першому варіанту. Щодо швидкості обертання і витрат промивальної рідини, підхід аналогічний як у твердосплавному, але кількісні рекомендації відмінні.

Бурова установка вибирається в залежності від глибини проектної свердловини, але з урахуванням способу буріння (табл. 10).

Розглянемо декілька прикладів.

Приклад 1. В розрізі два інтервала:

0–50 м – пластичні глини третьої категорії;

50–200 м – малоабразивні породи шостої категорії.

Згідно з категорією буримості для обох інтервалів вибираємо твердосплавне буріння. Для першого інтервалу (0–50 м) вибираємо ребристу коронку типу М, для другого – різцеву типу СМ. Колонкові снаряди для обох інтервалів будуть складатися з трьох частин: коронки, колонкової труби і фрезерного перевідника. Діаметри для першого інтервалу: коронка 112 мм, колонкова труба 89 мм (табл. 1), перевідник також 89 мм. Нагадаємо, що для ребристих колонок колонкова труба береться наступного меншого діаметру. Для другого інтервалу: коронка 93 мм, колонкова труба і перевідник залишаються 89 мм.

Бурильну колону вибираємо одну для обох інтервалів діаметром 50 мм з муфтово-замковим з'єднанням (табл. 2).

Відбір керна для першого інтервалу передбачається затиранням «всуху», для другого інтервалу – із застосуванням заклинювального матеріалу.

Оскільки перший інтервал представлений нестійкими породами, передбачається його закріплення обсадною колоною діаметром 108 мм з ніпельним з'єднанням (табл. 1).

Переходимо до режимів буріння. Навантаження визначається виходячи з питомого навантаження на один різець і категорії порід (табл. 6,7,8,9):



                                         (1)
де  – питоме навантаження на один різець, Н/різець;

 – кількість різців у коронці.

Для першого інтервалу згідно з табл. 6 приймаємо . Кількість різців (табл. 7)  (приймаються до уваги лише торцеві різці).

Отже



Для другого інтервалу приймаємо, . Тоді



Для визначення швидкості обертання згідно з рекомендаціями приймаємо лінійну швидкість різця 1,5 м/с.

Тоді для першого інтервалу швидкість обертання повинна дорівнювати



 ,                                         (2)
де  – лінійна швидкість руху різця, м/с;

- зовнішній діаметр коронки, м.



Для другого інтервалу



Отримані значення коректують з характеристикою бурового станка щодо його швидкостей обертання.

Для визначення потрібних витрат промивальної рідини скористаємося рекомендованими швидкостями висхідного потоку: 0,3.. 0,4 до 0,6 м/с. Більші значення рекомендуються для м'яких порід, менші – для твердіших. Тому для першого інтервалу приймемо , а для другого . Отже, для першого інтервалу витрати повинні складати



,                        (3)
де - діаметр свердловини в найбільшому перерізі, при відсутності каверн можна брати діаметр коронки, м;

 – діаметр бурильної колони, м.

Якщо враховувати імовірність утворення каверн, приймемо

Тоді



Для другого інтервалу треба врахувати наявність в свердловині двох ділянок: закріпленої і незакріпленої. Це вимагає двох розрахунків. Для незакріпленої ділянки розрахунок аналогічний як для першого інтервалу. Різниця полягає лише в тому, що зменшився діаметр коронки і можна допустити відсутність кавернозності.



Для закріпленої ділянки відміна полягає в тому, що діаметром свердловини буде внутрішній діаметр обсадної колони. В нашому випадку він дорівнює згідно з табл. 1



                                            (4)





Тоді для закріпленої ділянки



Як бачимо, в закріпленій ділянці потрібна більша продуктивність насоса, ніж в незакріпленій. Тому при бурінні другого інтервалу витрати промивальної рідини повинні бути  . Враховуючи те, що для першого інтервалу потрібні значно більші витрати, по них будемо підбирати насос. По результатах розрахунків для буріння заданої свердловини достатньо насоса ПГр або НБ4–320/63 (табл. 12,13)

Заключним етапом даної задачі є вибір бурової установки. Враховується глибина свердловини і спосіб буріння. Згідно з табл. 19 для твердосплавного буріння до глибини 200 м підходить бурова установка УКБ-3.

Результати вибору зведено у таблицю.
Таблиця 14 – Техніко-технологічні показники



Приклад 2. В розрізі виділяються два інтервали:

0–35 м – малоабразивні тріщинуваті породи восьмої категорії;

35–300 м – абразивні породи одинадцятої категорії.

Категорії порід свідчать про необхідність застосування алмазного буріння в обох інтервалах. Типи коронок: в першому інтервалі – одношарові типу «А», в другому – імпрегновані типу «И». Конструкції бурових снарядів в обох інтервалах однакові і відрізняються лише діаметрами.

В інтервалі 0–35 м приймаємо діаметр коронки 76 мм, тоді діаметри колонкової труби і перевідника будуть 73 мм (Табл. 1), а розширювач з керновідривачем 76 мм, як у коронки.

В інтервалі 35–300 м діаметр коронки 59 мм, колонкової труби і перевідника 57 мм, розширювача з керновідривачем 59 мм.

Бурильні труби вибираємо, прив'язуючись до коронки другого інтервалу. Це труби діаметром 50 мм з ніпельно-замковим з'єднанням (Табл.3). Для верхнього інтервалу вони не є кращим варіантом, але, по-перше, його потужність невелика, а по-друге, мати на буровій два комплекти труб недоцільно.

Відбір керна в обох інтервалах передбачається за допомогою керновідривача, оскільки застосування заклинювального матеріалу заборонено.

Щодо закріплення верхнього інтервалу слід зазначити, що без цього можна було б обійтися, якби не тріщинуватість. Тому заради уникнення випадіння уламків породи під час буріння другого інтервалу доцільно перший інтервал перекрити обсадною колоною діаметром 73 мм з ніпельним з'єднанням (Табл. 1).

Переходимо до проектування режиму буріння. Навантаження на коронку визначаємо виходячи з питомого навантаження на одиницю площі торця коронки, де є алмази. Для одношарових воно рекомендується в межах 600–1200 Н/см², для імпрегнованих – 700–1300 Н/см². В абразивних тріщинуватих породах рекомендовані значення помножуються на коефіцієнт . Окрім того, треба враховувати наявність прорізів для промивальної рідини. При наявності коронки рахують кількість прорізів і замірюють їх ширину. Знаючи зовнішній і внутрішній діаметри коронки (Табл. 15), визначають сумарну площу усіх прорізів і віднімають від теоретичної площі торця. При відсутності коронки задаються кількістю і шириною прорізів. В коронках зі звичайною системою промивки їх кількість коливається в межах 2–10, ширина прорізі до 6 мм. В коронках з розвинутою системою промивки кількість 18–36, ширина 8–12 мм.

Для першого інтервалу приймаємо кількість прорізів , ширину – . При внутрішньому діаметрі коронки  (Табл. 15) сумарна площа прорізів складає:



            (5)





Теоретична площа торця :



                                             (6)




Площа торця, де є алмази :



                                            (7)





Навантаження на коронку:



,                    (8)
де  – коефіцієнт, що враховує тріщинуватість; приймаємо ;

 – питоме навантаження, Н/см²;



Згідно з розрахунками (табл. 16) для наближених розрахунків коефіцієнт, що враховує наявність промивальних прорізів, можна прийняти рівним .

Аналогічно визначаємо навантаження на коронку для 2-го інтервалу.

Теоретична площа торця  з формули (6):



Площу, де є алмази, визначимо через коефіцієнт, що враховує наявність промивальних прорізів.



                                                       (9)





Оскільки в умовах не згадується про тріщинуватість, приймаємо . Питоме навантаження приймаємо дещо вище, ніж в першому інтервалі (більш висока категорія буримості) – .

Тоді, з (8):



Для визначення швидкості обертання треба задатися лінійною швидкістю руху алмазів. Для одношарових коронок рекомендується швидкість 1..3 м/с, для імпрегнованих – 2..4 м/с.



                                                   (10)
Для інтервалу 0–35 м, враховуючи тріщинуватість порід, приймаємо . При діаметрі коронки  швидкість обертання буде дорівнювати



або



Для інтервалу 35–300 м приймаємо лінійну швидкість . При діаметрі коронки  швидкість обертання має дорівнювати



або

Назва показників	1-ий інтервал 0–35 м	2-ий інтервал 35–300 м
Спосіб буріння	алмазне	алмазне
Тип коронки	одношарова, А	імпрегнована, И
Буровий снаряд, діаметри:
коронка, мм	76	59
колонкова труба, мм	73	57
перевідник, мм	73	57
розширювач з керновідривачем, мм	76	59
Бурильні труби, мм	СБТН-50	СБТН-50
Відбір керна	керновідривачем	керновідривачем
Діаметр обсадної колони, мм	73	-
Режим буріння:
навантаження на коронку, Н	18000	11460
швидкість обертання, об/хв (с-1)	377 (39,5)	970 (101,5)
витрати промивальної рідини, л/хв (м3/с)	91,2 (0,00152)	41,3 (0,000688)
Бурова установка	УКБ-3	УКБ-3

Назва показників	1-ий інтервал 0–40 м	2-ий інтервал 40–400 м
Спосіб буріння	твердосплавне	алмазне
Тип коронки	ребриста, М (КР)	імпрегнована, И
Буровий снаряд, діаметри:
коронка, мм	93	76
колонкова труба, мм	73	73
перевідник, мм	73	73
розширювач з керновідривачем, мм	-	76
Бурильні труби, мм	СБТН-68	СБТН-68
Відбір керна	Затиранням «всуху»	керновідривачем
Діаметр обсадної колони, мм	89	-
Режим буріння:
навантаження на коронку, Н	7200	11300
швидкість обертання, об/хв (с-1)	411 (43)	754,3 (79)
витрати промивальної рідини, л/хв (м3/с)	160,5 (0,002675)	45,6 (0,00076)
Бурова установка	УКБ-4	УКБ-4

Діаметр труби, мм	Товщина стінки, мм	Внутрішній діаметр ніпеля, мм	Маса 1 м труби, кг
25	3	-	1,63
33,5	3	24,5	2,22
44	3,5	34	3,5
57	4,5	46	5,83
73	5	62	8,38
89	5	78	10,36
108	5	95,5	12,7
127	5	114,5	15,04
146	5	134	17,39

Параметри	Рекомендовані діаметри коронок
	59–76	76–93	93–112	≥112
Діаметр труб, мм	42	50	60,3	73
Товщина стінки, мм	5	5,5	5	5,5
Діаметр замка, мм:
зовнішній	57	65	80	95
внутрішній	22	28	34	41
Маса 1 м труби, кг	4,56	6,04	6,82	9,16

Параметри	Рекомендовані діаметри коронок
	26	36	46	46	59	59	76
Діаметр труб, мм	24	32	38	42	50	54	68
Діаметр ніпеля, мм:
зовнішній	24,2	32,4	38,4	42,5	50,5	54,5	68,5
внутрішній	6,5	11	12	16	18	22	28
Маса 1 м труби, кг	2,16	3,05	3,72	4,43	5,06	5,9	7,6

Параметри	Рекомендовані діаметри коронок
	36	46	59	76
Діаметр труб, мм	34	42	54	68
Товщина стінки, мм	6,5	7	9	9
Діаметр ніпеля, мм:
зовнішній	34,5	42	54	68
внутрішній	12	15	22	28
Приведена маса 1 м, кг	2,3	2,5	4,4	5,3

Параметри	Діаметр буріння, мм
	76	93	112
Діаметр труби, мм	73	89	108
Товщина стінки, мм	19	22	26
Маса 1 м труби, кг	25,3	35,6	52,5

Тип коронки	Категорії буримості порід
	1–2	3	4	5	6	7	8
М	400–500	500–600	600–800	-	-	-	-
СМ	-	-	-	600–800	800–1000	1000–1200	-
СА	-	-	-	1000–1200	1200–1400	1400–1600	1600–1800

Тип коронки	Кількість ребер	Внутрішній діаметр, мм	Кількість різців
			торцевих	калібр.	всього
М-93	4	59	16	4	20
М-112	4	73	16	4	20
М-132	6	91	24	6	30
М-151	6	112	24	6	30

Зовнішній діаметр, мм	Внутрішній діаметр, мм	Кількість різців
		торцевих	калібр.	всього
76	58	9	3	12
93	74	9	3	12
112	93	9	3	12
132	113	12	4	16
151	132	12	4	16

Зовнішній діаметр, мм	Внутрішній діаметр, мм	Кількість зубків (штабіків)
76	59	12
93	74	16
112	93	16
132	113	20

Таблиця 10 – Параметричний ряд бурового обладнання для буріння на тверді корисні копалини



Таблиця 11 – Питомі витрати промивальної рідини в л/хв на 1 см діаметра коронки




Таблиця 12 – Технічна характеристика поршневих бурових насосів



Таблиця 13 – Технічна характеристика плунжерних бурових насосів



Таблиця 15 – Характеристика одношарових та імпрегнованих алмазних коронок