Влияние технологических режимов на скорость бурения мелких скважин в мягких и рыхлых породах вращательным способом и расход мощности

С. С. СУЛАКШИН

скважины необходимо учитывать следующие факторы". Далее перечисляется ряд факторов, ограничивающих величину давления, но, кроме того, что давление „не должно быть большим", в этой памятке никаких конкретных указаний нет. Стахановцы треста „Укруглегеология" при бурении „всухую" по углю [3] доводили давление на коронку до 500—900 кг, получая высокие скорости проходки.

Число оборотов при безнасосном бурении в районе строительства Сталинградской ГЭС достигало 150 об/мин, что приводило также к заметному повышению скорости бурения.

При исследованиях, проведенных на Алтае, на Волге и в Загорске, нам пришлось работать на различных станках, часто с ограниченными техническими возможностями. Поэтому при выявлении рациональных режимов иногда сравниваются показатели одного и того же бурового наконечника, которым работали на различных станках. Это сказывается определенным образом на получаемых результатах, но решающей роли, как нам кажется, в конечных выводах не играет.

При исследовании режимов бурения различными способами были выявлены следующие факторы, существенно влияющие на скорость бурения скважин в мягких и рыхлых породах:

1) число оборотов бурового снаряда;

2) количество подаваемой в скважину жидкости (при бурении с промывкой) или частота расхаживания и высота подъема бурового снаряда (при бурении безнасосным способом);

3) величина осевого давления на забой;

4) мощность буровой установки.

Бурение кольцевым забоем с промывкой

Этот вид бурения изучался, главным образом, в производственных условиях и в незначительном объеме на учебном буровом полигоне в Загорске. Бурение осуществлялось простыми колонковыми снарядами в песчано-гли-нистых рыхлых отложениях 1 и II категорий. Частично бурение проводилось в твердых породах осадочного или изверженного комплекса V—VIII категорий. При бурении использовались зубчатки и коронки, заправленные твердыми сплавами-резцами восьмигранной и игольчатой формы. Промывочная жидкость нагнеталась при помощи поршневых насосовтипа 100/30, 45/15 или шестеренчатых типа ШГН—За. Осевое давление создавалось весом снаряда. В связи с тем, что скважины имели небольшую глубину, давление на забой изменялось в незначительных пределах.

Влияние числа оборотов

В табл. 1 приводятся средние данные результатов исследования влияния числа оборотов на скорость углубки при бурении на станках КА-2М-300, ЗИВ-75 и БС-16 в песчано глинистых породах I—II категорий.

Зависимость между скоростью бурения и числом оборотов имеет явно линейный характер, как это видно на графике (фиг. 1). При этом скорость бурения возрастает быстрее, чем растет скорость вращения.

Следовательно, чтобы увеличить скорость бурения в мягких и рыхлых породах, нужно прежде всего увеличивать скорости вращения бурового снаряда. Но при этом необходимо учитывать, что на больших скоростях имеет место повышенный износ бурового оборудования.

№ пп • Наименование показателей Единица измерения Числовые значения показателей

1 Количество наблюдений . . . 12 - 17 12

2 Число оборотов снаряда . . об/мин 70-90 160-200 360—400

3 Количество промывочной жидкости ........... л/мин 60—80 40-60 40

4 Осевое давление...... кг о т веса снаряда

5 Среднее время чистого буре- мин 56,0. 37,0 16,0

€ Средняя проходка за время чистого бурения ...... лог. м 1,09 4,25 4,18

7 м\час % 1,2 100,0 6,9 576,0 15,7 1301,0

<го

/

/

*

of 8.0

/

/

/

/

/

/

<зш т зоо 4ов мо * Чиспо дйвретеА вй/тш

Фиг. 1. График зависимости скорости бурения от числа оборотов колонкового снаряда при бурении с промывкой в рыхлых породах

Влияние количества промывочной жидкости

В табл. 2 приведены данные результатов исследования, из которых видно, что скорость бурения значительно возрастает с увеличением количества нагнетаемой в скважину жидкости. Здесь следует отметить, что на скорость бурения обратное влияние оказывало уменьшение числа оборотов, которое имело место при этом опыте по техническим причинам. Вероятно, при одинаковых числах оборотов увеличение скорости бурения имело бы значительно большую величину. В данном же случае мы имеем примерно одинаковую скорость бурения при 130 об/мин с промывкой в 78 л/мин и при 180 об/мин, но с промывкой в среднем 50 л/мин. Кроме того, бурение с повышенным количеством промывочной жидкости производилось коронками типа „БК", мало пригодными для этих условий. Следовательно, чтобы увеличить скорость бурения в рыхлых породах, надо повышать производительность насоса.

№ пп Наименование показателей Единица измерения Числовые значения показателей

1 Количество наблюдений - - 17 12 8

2 Количество промывочной жид- л мин 40-60 78 156

3 Число оборотов ....... об/мин 160-200 131 115-131

4 Осевое давление ...... кг от веса снаряда 188 188,0

5 Время чистого бурения в рейсе лат 37,0 . 11,5 13,4

6 Проходка за время чистого бурения .. . ....... пог. м 4,25 1,41 2,03

7 Скорость бурения...... м\ччс % 6,9 100,0 7,3 106,0 9,1 131,6

При повышенном количестве промывочной жидкости, нагнетаемой в скважину, увеличивается скорость ее движения, а с ней растет и кинетическая энергия потока, который участвует в разрушении мягкой породы и выносит

ны и керн. Поэтому оптимальное количество подаваемой в скважину жидкости должно устанавливаться -в каждом конкретном случае в неразрывной связи с выходом керна.

В целях повышения кинетической энергии струи промывочной' жидкости при сохранении керна может быть предложен снаряд следующей конструкции (фиг. 2). К колонковой трубе 1 и коронке 2 навариваются четыре полосы 3 уголкового железа малого диаметра (полками к трубе). В переходнике 4, не имеющем проходного отверстия, и в колонковой трубе высверливаются каналы 5 и отверстия б, по которым жидкость попадает в полости уголков 3, как это показано на фигуре. Коронка 2 несет наваренные утолщения 7, которые заправляются, так же как и торец коронки, резцами из твердых сплавов. С успехом может применяться и зубчатка с разведенными зубьями. В этом случае жидкость, нагнетаемая насосом, будет с большой силой вырываться из четырех каналов. Весь удар направляется на забой скважины. Керн же будет сохраняться полностью от размывающего действия потока.

Для выхода жидкости и воздуха из колонковой трубы при ее заполнении керном в переходнике делаются два обратных клапана 8.

Производительность насоса при бурении в рассматриваемых условиях может изменяться от 30—40 до 130—200 л мин в зависимости от устойчивости пород и конструкции снаряда.

Влияние величины осевого давления

Как показали исследования, осевое давление при бурении в мягких и рыхлых породах играет незначительную роль. Это естественно, так как сопротивление мягких пород проникновению режущего инструмента невелико. Для этого обычно достаточно одного веса снаряда.

. Напротив, очень часто давление необходимо уменьшать, особенно при малом числе оборотов и недостаточном количестве промывочной жидкости, так как забой скважины не успевает разбуриваться на глубину погружения резцов. В этом случае повышается давление на манометре насоса и прекращается вращение снаряда. Поэтому подача снаряда при бурении по мягким и рыхлым породам должна увязываться в каждом отдельном случае с количеством прокачиваемой жидкости и числом оборотов.

Практически величина осевого давления при бурении в мягких породах может быть порядка 250—400 кг на коронку диаметром 91—130 мм.

Расход мощности при бурении с промывкой кольцевым забоем

Расход мощности на бурение с промывкой составляет сравнительно небольшую величину. Здесь следует отметить, что на расход мощности при бурении в рыхлых породах сильно влияет состояние скважины, глубина и диаметр бурения и число оборотов снаряда. Кроме того, обычно наблюдается увеличение расходуемой мощности к концу рейса и резкое возрастание во время затирки керна, без которой в этих условиях обойтись нельзя.

В табл. 3 приводятся некоторые данные по затрате мощности при бурении в суглинках. Замеры производились при помощи двух ваттметров, показания которых записывались в специальных листах.

Следует отметить, что здесь1 не учитывалась мощность, затрачиваемая на^работу насоса.

Как видно из приведенной таблицы, мощность на бурение кольцевым

забоем с промывкой весьма невелика. Но при затирке керна мощность увеличивается в 2—3 раза.

Диаметр забойного инструмента в мм 132 219

Количество наблюдений . 10 12 6

Число оборотов снаряда в минуту . . 115 131 115*

Расход мощности при бурении, в кет..... 1,22 1,9 2,28

Расход мощности при затирке, в кет...... 2,28 4,46 —

Бурение кольцевым забоем безнасосным способом с обратной

циркуляцией жидкости

Изучение процессов бурения этим способом проводилось, главным образом, при инженерно-геологических исследованиях в районе строительства Сталинградской ГЭС-

Бурение осуществлялось снарядами различных конструкций в породах II—IV категорий.

Бурение велось на станках КА-2М-300 с приводом от электромоторов, что позволило взять замеры расхода мощности. Несмотря на узкий диапазон изменения режима бурения, оказалось возможным выявить определенную зависимость скорости бурения от различных режимов.

Влияние чиела оборотов -

Изменение числа оборотов происходило в пределах от 90 до 150 об/мин при диаметрах снарядов 130 и 115 .м.м.

В табл. 4 приводятся усредненные сравнительные данные, характеризующие скорость бурения безнасосным способом в зависимости от числа оборотов.

Таблица 4

Наименование пород Пе сок Песчано-алеври-товая порода Алевролиты Аргиллиты

Количество наблюдений 26 12 28 16 32 21 20 12

Число оборотов, об|мин. 92— 120— 95— 130— 90- 120— 90— 120—

-106 —135 -120 —160 -120 —140 -120 -150

Среднее время чистого бу- 1040,0

рения, мин. 104,0 56,0 269,0 188,0 903,0 287,0 205,0

Средняя проходка за время 16,33 25,62

чистого бурения, not. м 5,01 2,97 13,63 45,03 3,77 3,87

Средняя скорость бурения, 1,48 3,00 0,79

м\час 2,9 3,18 3,04 5,2 1,13

% 100 110,0 100,0 171,0 100,0 227,0 100,0 143,0

Как видно из этой таблицы, скорость бурения, сильно зависящая от свойств породы, с увеличением чисел оборотов на небольшую величину (20—40 об/мин) возрастает от 1,5 до 2 с лишним раз.

• Характерно, что для рыхлой несвязной породы (песка) эта зависимость проявляется весьма незначительно.

Следует отметить, что получаемый при этом керн вполне удовлетворяет исследователей. Очевидно, для менее ответственных случаев, например, при обычном геологическом картировании, скорость вращения инструмента можно увеличить еще больше.

Для инженерно - геологических исследований, повидимому, необходимо провести специальные исследования по выяснению зависимости сохранности структуры керна от числа оборотов.

Влияние частоты расхаживання и высоты подъема бурового снаряда

Из рассмотрения сущности этого вида бурения видно, что благодаря расхаживанию снаряда в скважине создается обратная циркуляция жидкости. Основные функции промывки в этом случае заключаются в удалении частиц разрушенной породы с забоя и охлаждении бурового наконечника. Естественно, что чем больше разрушается породы в единицу времени, тем интенсивнее должна она удаляться, т. е. тем интенсивнее должен быть поток промывочной жидкости и тем больше должно быть качаний (ходов в минуту).

Так как скорость бурения зависит прежде всего от твердости пород, то выявляется общая закономерность: чем мягче породы, тем интенсивнее должно быть расхаживание. Как было установлено, скорость бурения увеличивается с повышением числа оборотов. Следовательно, и в этом случае должно происходить увеличение числа качаний снаряда, чтобы обеспечить удаление с забоя более интенсивно образующийся шлам.

Кроме этого, скорость выноса частиц разбуренной породы зависит от ее удельного веса. Поэтому для повышения эффективности выноса шлама, состоящего из частиц породы с большим удельным весом, необходимо также увеличивать число качаний.

Данные по выявлению зависимости скорости бурения от числа качаний снаряда при бурении по породам с удельным весом около 2,7 в примерно одинаковых условиях приведены в табл. 5, 6, 7, 8 и 9. Отсюда видно, что:

а) при бурении по рыхлым несвязным породам (пескам) расхаживание должно быть практически непрерывным—до 50 ходов в минуту;

б) при бурении в породах песчано-алевритового типа со слабым цементом число качаний также должно быть повышенным—до 30 ходов в минуту;

в) "в алевролитах максимальная скорость бурения достигается при числе ходов 14—19 в минуту;

г) при бурении в песчаниках интенсивность расхаживания будет зависеть от твердости породы; чем слабее песчаник, тем больше должно быть расхаживание и, наоборот, чем порода крепче, тем реже можно поднимать инструмент.

Таблица 5

Изменение скорости жроходки в зависимости ог числа качаний инструмента при бурении по песку

Число качаний снаряда в 1 мин. | Высота подъёма ' снаряда Проходка за | ния в среднс 5 мин. чистого буре-ит по 19 наблюдениям

1 ¡мин % см пег. м Н

10-30 100,0 1—7 0,26 100,0

32-50 320,0—165,0 3-9 0,81 312,0

60 620,0-200,0 2—4 1,12 430,0

Изменение скорости проходки в зависимости от числа качаний инструмента при бурении в песчано-алевритовых породах

Число качаний снаряда, в 1 мин. Высота подъёма снаряда Проходка за 5 минут чистого бурения в среднем по 66 наблюдениям

1 (мин. % см лог. м И

8-13 14-19 20-25 26-30 100 175-146 150—192 825—230 2—7 1-6 2—7 . 1-8 0,37 0,42 0,44 0,65 100,0 114,0 119,0 178,0

Таблица 7

Изменение скорости проходки в зависимости от числа качаний инструмента при бурении в алевролитах

Число качаний снаряда в 1 мин. Высота подъёма | Проходка за 5 мин. чистого бурения снаряда | в среднем по 61 наблюдению

1 (мин % см пог. м %

8—13 14-19 20-25 30-33 100 175-146 250-192 375-254 2-10 1—10 1—6 3-8 0,32 0,52 0,36 0,32 100,0 162,0 112,0 100,0

Таблица 8

Изменение скорости проходки в зависимости от числа качаний инструмента при бурении по аргиллитам

Число качаний снаряда в 1 мин. Высота подъёма снаряда Проходка за 5 мин. чистого бурения по 18 наблюдениям.

1 [мин % см пог. м %

4-8 12—16 18—32

100 300-200 450—400

2—10 1-12 1—8

0-13

1—12 0-15

100,0 92,5 115,0

Таблица 9

Изменение скорости проходки в зависимости ©т числа качаний инструмента жри буреиии по песчаникам

Число качаний снаряда в 1 мин. Высота подъёма ' снаряда Проходка за 5 мин. чистого бурения по 19 наблюдениям

1 [мин . % см лог. м  %

11-12 14—18 25- 36 100 127-128 , 227—257 3—6 3-5 1—5 0,22 0,29 0,19 100,0 132,0 86,0

Средняя велич ина числа ходов может быть принята в пределах 14-—18 в минуту;

д) при бурении по рудным полезным ископаемым, дающим тяжелый шлам, инструкцией по взятию керна [1] рекомендуется число качаний в минуту от 12 до 17.

При бурении по аргиллитам в наблюдаемых пределах зависимость скорости бурения от числа качаний проявляется менее четко (табл. 8). Это, правда, можно объяснить недостаточностью количества наблюдений, тем более, что средние величины выводятся по работе различными снарядами и коронками. Поэтому последние цифры не следует принимать за количественную характеристику рассматриваемой зависимости, а только за качественную и то до некоторой степени—предварительную. Здесь следует отметить, что безнасосное бурение в глинистых породах вообще протекает ненормально и малоэффективно.

Зависимость скорости бурения от числа качаний инструмента наглядно иллюстрируется графиками (фиг. 3 и 4).

§/0 Г9

Чэ

<58

^ а?

а

<о

? 04

сиг

/

. / /

/

' / /

/

/

/

/

/

/

у

° £ Ю /5 30 25 ЗО Зэ «о *,5 50 60 65 ?0 75

Число хачании снаряда £ ' лип утуч

Фиг. 3. График зависимости скорости бурения по песку от числа качаний колонкового снаряда при безнасосном бурении

Учитывая, что увеличение числа качаний снаряда приводит часто к более быстрому подъему керна к переходнику, а следовательно, к прекращению циркуляции жидкости, чрезмерной интенсивности расхаживания снаряда следует избегать.

Как показали исследования, бурение безнасосным способом в глинистых породах и особенно в глинах является весьма малоэффективным, так как циркулирующий с недостаточной скоростью раствор очень быстро сгущается, глинистая масса начинает обволакивать колонковую трубу, особенно изнутри, образуется „сальник", и циркуляция жидкости по существу прекращается, а следовательно, угХубка происходит замедленными темпами.

Такое же явление наблюдается даже при бурении с промывкой при недостаточном количестве подаваемой в скважину жидкости. Поэтому, в случае необходимости бурения по глинистым породам безнасосным способом

следует, если это разрешается, чаще подливать в скважину чистой воды, или производить чистку скважины от мелкого шлама, увеличивающего вязкость жидкости.

Бурение в глинистых породах необходимо вести с более интенсивным расхаживанием. Например, заметное увеличение скорости бурения по аргиллитам получилось при числе качаний в пределах 18—32 в минуту.

£

§

а оз

1-*>

о.

а

«:* ч,

»©Л

- —

%0.)

о £

/о 15 20 26 30 35 V)

У

к.

¡0 /5 20 21 30 35

Число качаний снаряда & I минутую/мин Чцспо качаний снаряда б ¡минуту-, '¡нин.

п П

5 05

^ ¡К

0

1 аз

•о

го 25 ЯО 35 40

Ж"

/О 15 го 25 30 • 35

Число кыча ни й сиарядав I минуту Лми*.

Число качании снаряда $ ¡минуту, '/нищ

г.

Фиг. 4. Графики зависимости скорости бурения от числа качаний наряда при безнасосном буремии:

а — для песчаио-алевритовых пород; б — для алевролитов; в — для аргиллитов; г — для песчаников

При бурении неглубоких скважин и при наличии достаточного притока жидкости можно рекомендовать бурение с обратной циркуляцией с отводом жидкости на поверхность через колонну штанг, сальник и шланг. В этом случае в штангах отверстий не делается.

Высота поднятия снаряда в процессе безнасосного бурения колеблется практически в интервале от 2—3 до 8—10 см. и зависит, главным образом, от состояния раствора в скважине. Чем чище раствор, тем меньше может быть высота подъема. *

Основным недостатком безнасосного бурения является малая величина проходки на рейс из-за зашламования зазоров между керном и колонковой трубой и в особенности шарового клапана, что приводит к прекращению циркуляции промывочной жидкости.

С целью устранения указанных недостатков нами был предложен и испытан снаряд для безнасосного бурения, несколько отличающийся от извест-

ных конструкций. Данный снаряд состоит из следующих основных частей; колонковой трубы длиной 4^2 м, коронки, переходника, открытой шламовой трубы, штанги, соединенной с переходником, ниппеля, коротенькой штанги с отверстиями и с шариком. Отличительной особенностью снаряда является совершенно иное расположение отверстий в трубке, где помещается шаровой клапан (фиг. 5).

Фиг. 5. Схема работы снаряда для бвзнасосного бурения конструкции Сулакшина:

1—колонковая труба; 2—переходник; 3—штанга; 4—шарик;

5—окно; 6—короткая штанга; 7 —отверстия; 8—шламовая труба

Как это видно из чертежа, непосредственно над шариком 4 прорезается овальное окно 5 размером 10X20 мм. В верхнем конце трубки б просверливается еще 2—3 отверстия 7, диаметр которых 6—8 мм. Такое расположение отверстий обеспечивает четкую и в большинстве случаев бесперебойную работу клапана.

Удаление шлама из шламовой трубы легко осуществляется при помощи обычного промывочного шприца.

Много проще в этом снаряде осуществляется и извлечение керна. Для -этого достаточно отсоединить трубку 6 стариком 4 и присоединить штангу с сальником и шлангом от насоса. Все это легко может проделать даже

один рабочий. Включить насос и выдавить керн—дело одной минуты. Значительно проще в этом случае осуществляется и часто практикуемое вытряхивание керна, так как подпрыгивающий при встряхивании снаряда шарик открывает доступ воздуху через окно, расположенное непосредственно над шариком. Благодаря этому разряжение, образующееся при выходе керна из колонковой трубы, быстро компенсируется воздухом.

При работе этим снарядом почти совсем прекратилось засорение клапана, значительно реже подсасывался керн к переходнику и резко улучшился весь процесс бурения. Это отмечалось всеми буровыми мастерами, работавшими данным снарядом в Сталинградской экспедиции.

Все перечисленные улучшения, по нашему мнению, были получены благодаря применению клапанного устройства предложенной системы, обеспечившего благоприятные условия для работы шарика. Действительно, при движении снаряда вниз (фиг. 5а) вытесняемая из колонковой трубы 1 жидкость устремляется вверх через проходное отверстие в переходнике 2 и по штанге 3, приподнимая шаровой, клапан 4. Промывочная жидкость, насыщенная шламом, начинает изливаться через окно 5 в штанге 6. Часть жидкости, обгоняя шарик, выходит через дополнительные отверстия 7. Через эти же отверстия изливается и жидкость, которую гонит перед собой движу щийся шарик. В колонне штанг уровень воды, если и повышается, то весьма незначительно. В последующий момент шарик закроет верхнее отверстие в штанге 6 (фиг. 5 б), и вся промывочная жидкость вместе со шламом начнет изливаться только из окна 5 и отверстий 7, попадая в шламовую трубу 8.

Как только снаряд встанет на забой, шарик упадет вниз (фиг. 5 в). Жидкость из колонны штанг, если уровень ее был несколько выше, чем в скважине, будет выливаться через те же отверстия. В дальнейшем жидкость при движении снаряда кверху (фиг. 5 г), продолжая изливаться из окна 5, будет омывать шарик 4 сверху, не допуская оседания на нем шлама. Таким образом, используются обратные токи жидкости в штангах. Весь шлам, поступающий из колонковой трубы и находящийся в столбе жидкости, расположенном над снарядом, осаждается в шламовую трубу 8, чего не происходит в снарядах с закрытой шламовой трубой.

В случае, если в трубку б засасываются крупные обломки породы, то они легко проходят через окно 7,когда шарик 4 находится в верхнем крайнем положении. За все время работы снаряда был отмечен только один случай, когда в окне 7 застрял кусочек породы продолговатой формы размером 48 X 22 X 15 мм.

Итак, к достоинствам описанной конструкции снаряда можно отнести:

а) безотказность работы шарового клапана, с чем связана более эффективная работа снаряда в скважине и увеличение проходки на рейс;

б) простоту сборки и разборки снаряда и легкость чистки шламовой . трубы и клапана;

в) легкость извлечения керна из колонковой трубы при малом количестве связанных с этим операций.

Улучшения, сделанные в снаряде для безнасосного бурения, увеличили производительность этого способа бурения, что видно из приведенных - сравнительных данных по работе снарядов различных конструкций (табл. 10).

Влияние осевого давления

Осевое давление, как и при всех других способах, существенно сказывается на скорости бурения только по твердым породам. В данном случае ; большое значение имеют удары коронки по забою, получающиеся в момент' сбрасывания снаряда при его расхаживании. Поэтому при бурении в более

твердых породах осевое давление следует создавать по общим правилам для колонкового бурения.

' Т а б л и у. а 10 •

ш \ Тип бурового снаряда Обычный наряд без Снаряд с закрытой Снаряд системы Снаряд с закрытой шламовой трубой и клапанным устройством системы Сулакшина

пп Наименование показате- \ лен и един, измерения шламовой трубы шламовой трубой Сулакшина

1 2 в %......... 1',3 100,0 1,45 111,6 1,64 126,2 1,43 110,0

3 Скорость проходки в час чистого буре- 3,12 3,26 3,62 3,48

4 »-» в % ............. 100,0 104,5 116,0 111,5

В настоящее время принято считать, что с увеличением осевого давления-нарушается естественная структура керна. Поэтому при бурении инженерно-геологических скважин величина осевого давления рекомендуется в пределах 150—200 кг.

Опытным путем зависимости между осевым давлением и сохранностью структуры керна никто до сих пор не устанавливал. Возможно, что при малом числе оборотов повышенное осевое давление будет сказываться отрицательно. Но нам кажется, что увеличение осевого давления до 300— 400 кг не будет влиять на структуру, керна. А этого давления при бурении по мягким породам, даже скважин больших диаметров, вполне достаточно.

Расход мощности

Расход мощности при безнасосном' бурении измерялся по показаниям двух ваттметров через каждые 5 минут чистого бурения. Замеры мощности производились в различных породах. Как видно из данных, полученных при этом, на расход мощности в исследованных пределах глубина бурения почти не влияет. Больше влияют характер пород, определяющих состояние скважины, тип коронки и число оборотов снаряда.

В табл. 11 приведены средние данные, характеризующие затрату мощности на различные процессы. Как видно из таблицы, наибольшая мощность затрачивается на затирку керна—в среднем 8,0 кет. Максимальные значения достигают в этом случае 10 и более кет. Большая мощность требуется для подъема снаряда. В среднем она достигает 5,5 кет при глубине скважины 26—46 м. Максимальные значения иногда превышают 10 квт.

При бурении затрачивается обычно небольшая мощность 2,8—3,4 кет. Причем в эти цифры входит мощность, расходуемая на холостое вращение бурового снаряда и на вращение самого станка, что отнимает до 1,3 кет. Следовательно, на разрушение пород забоя и трение рабочего инструмента о забой в среднем расходуется 1,5—2 кет, а часто и менее того.

Здесь следует отметить, что иногда электромотор мощностью в 10 кет не справлялся с максимальной нагрузкой и останавливался. Это дает основание считать, что в некоторых случаях действительно требуется мощность больше 10 кет. Бурение безнасосным способом снарядом диаметром 8 успешно обеспечивалось мотором мощностью 19 кет.

Таблица 11

Наименование породы

№ пп Наименование показателей Песок Песчано-алевритовыё Алевролит Аргиллит Песчаник Суглинки

к  5 « S Диаметр коронки • ' 132 115 132 116 101 116 112 132 1 6 132

ч ё г т ^ W Я Число оборотов в минуту 120 96 120 100 96 120 120 120 96 120 Ф 120 115

1 Глубина скважины м 28,0- 29,0 14-17 29,0 14,0-17,0 17—22 24-28 22-26 32—45 26-37 43-44 20-22 22—26 1-5

2 Расход мощности на холостом ходу ставка кет 0,84 0,96 — — — 0,66 _ 1,3. 0,72 _ — — —

3 Расход мощности на вращение инструмента кат __ — — — — 1,26 1,0 _ — — —

4 Расход мощности при бурении кет 2,0 2,7 — 2,34 1,7 2,24 1,6 2,84 1,18 * 1,76 2,6? 2,28 3,4

5 Расход мощности при затирке керна кет 6,0 4,67 6,3 5,45 7,8 6,1 2,0 5,45 4,65 8,01 — 6,68* —

6 Расход мощности на подъем кет 4,9 3,27 —• — 6,1 4,9 3,3 I 6,06 3,69 — _ 6,48 —

Бурение сплошным забоем, без промывки (всухую) ложковыми

и спиральными бурами

Этот вид бурения изучался при работе на Алтае и в Загорске. Бурение осуществлялось ложками и змеевиками различных диаметров в рыхлых отложениях: суглинках и глинах I—II категорий, на станках КА-2М-300 и БС—16 с приводом либо от бензиновых двигателей, либо от электромоторов. В последнем случае брались замеры расхода мощности.

На основании полученных данных была установлена зависимость скорости бурения от числа оборотов, осевого давления, глубины скважины и характера пород.

Влияние числа оборотов

При бурении ложкой этот фактор сказывается меньше, чем, например, осевое давление. В табл. 12 приводятся усредненные данные зависимости скорости бурения ложкой в суглинках от числа оборотов снаряда.

Таблица 12

№ пп Наименование показателей Единица измерения Числовые значения показателей

1 Количество наблюдений 2 37 5

2 Число,оборотов об/мин 104—105 113—134 225—252

3 Осевое давление кг 69,7 60,0 44,1

4 Диаметр буровой ложки мм 145 145 ' 145

5 Среднее время чистого буре- 4,9 0,9

ния в рейсе мин 4,6

6 Средняя углубка за время чи- 0,24 0,33 0,31

стого бурения пог. м

7 Скорость бурения м\час 3,12 4,05 9,2

% 100,0 130,0 294,0

Отсюда видно, что при увеличении числа оборотов снаряда вдвое скорость бурения ложкой возрастает почти в три раза (294,0°/0). Более наглядно это можно представить себе графически (фиг. 6).

При бурении змеевиком в суглинках и глинах наблюдается, несколько иная картина, что видно из приведенных данных (табл. 13).

Таблица 13

№ пп | Наименование показателей | Единица измерения Числовые значения показателей

1 Количество наблюдений 14,0 24,0 18,0 12,0

2 Число оборотов об/мин 45 100—120 127— 242—

—146 -250

3 Осевое давление кг 58,0 43,0 43,0 43,0

4 Диаметр змеевикового бура мм 108 108—145 145 145

5 Среднее время чистого буре- 1,0

ния в рейсе мин 6,4 7,6 0,65

6 Средняя углубка за время чи- 0,53

стого бурения пог. м .0,54 1,17 0,56

7 Средняя скорость бурения м\час 5,1 8,1 31,2 51,7

% 100,0 162,0 610,2 1015,0

При

исла оборотов в 5,5 чем в 10 раз. Это

(фиг. 7).

6. Графн!

f

i:

t j:

I

i

J

/ I

/ f / }

.-r

,00 ño /го ^¿^^^Ц10 ™ 57

7. Гг

í fi

1~г —5 6 7 i 5 1Г~Т

уровые рейсы

8. Г,

№ Наименование " о. Диаметр буровой ложки, мм

¡33 О

пп показателей л я М К 145 185

1 Число оборотов об|мин 113—115 113—115 245 115— —134 115—134

2 Глубина скважины м 0,0-10,0 10,0—15,0 0,0— 10,0 0.0-—5,0 5,0-10,0

3 Расход мощности на 1,8

вращение инструмента кет « — — — -

4 Расход мощности при бурении „ 2,51 3,89 4,71 4,06 4,2

5 Расход мощности на подъем 2,90 2,98 1,68 — , 4,15

Очевидно, что такая закономерность будет проявляться и при дальнейшем изменении основных показателей.

Из приведенных данных видно, что для бурения змеевиком требуется большая мощность, чем для бурения ложкой.

Таблица 16

№ ГШ

Наименование показателей

Единица измерения

Диаметр змеевика, мм

145

1 Число оборотов об|мин 115 .115 245

2 Глубина скважины м 0,1-10,0 10,0-15,0 0.0—10,0

3 Расход мощности на холостом 0,54

ходу станка кет — —

4 Расход мощности на вращение 1,92

инструмента » — —

5 Расход мощности при бурении „ 3,28 3,75 6,18

6 Расход мощности при затирке „ 6,00- —

7 Расход мощности на подъем — 2,28 5,3

В ы В О ды

На основании экспериментальных исследований, результаты которых приводятся в данной статье, можно сделать важные практические выводы.

1. При бурении в мягких и рыхлых породах колонковыми снарядами и змеевиками скорость углубки, а следовательно, и производительность определяются главным образом числом оборотов снаряда. Причем скорость бурения возрастает в два раза быстрее, чем число оборотов снаряда (число оборотов увеличивается в 2,5 раза, а скорость бурения в 5 раз, число оборотов в 5 раз, а скорость бурения в 10 раз и т. д., что видно из данных, приведенных в таблицах 1 и 13).

2. При бурении с промывкой скорость углубки существенно возрастает с увеличением количества нагнетаемой в скважину жидкости (табл. 2).

3. При бурении безнасосным способом (с местной циркуляцией жидкости) скорость углубки зависит от числа расхаживаний (качаний) снаряда в единицу времени. Причем для разных пород существуют оптимальные значения числа качаний.

4. При бурении ложковыми бурами скорость углубки зависит как от осевого давления, так и от числа оборотов почти в прямой пропорции.

5. Максимальные значения мощности, затрачиваемой при бурении мелких скважин в мягких и рыхлых породах, достигают 8—10 квт и только в отдельных случаях больше в 2—2,5 раза.

^ 6. Мощность на подъем при данных глубинах почти не превышает мощности, затрачиваемой на бурение, значения их довольно близки.

7. Мощность двигателя в 15—20 квт вполне обеспечит бурение скважин с начальным диаметром до 8" и конечным около 3—41/г" на глубину до 100 м при форсированных режимах бурения любым способом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Министерство геологии. Временная инструкция по взятию керна при колонковом бурении. Гоегеолиздат, 1950.

2. Р о с с и у с П. Л. и Степанов Г. И. Безнасосное бурение. Памятка сменному буровому мастеру, Гоегеолиздат, 1951.

3. Опыт работы стахановцев геологической службы. Работа , стахановских буровых бригад. Трест Укруглегеология. Гоегеолиздат, 1949.

4. Паль я нов П. Ф. Обсадка скважин трубами с помощью вибратора. Журн. „Разведка недр", № 5, Гоегеолиздат, 1952.