Часть 13: Буримость — скорость проходки буровой коронки через буримый материал

Пневматическое ударное бурение с помощью пневмоударника – это распространенный метод бурения твердой породы. При таком бурении порода разбивается на мелкие фрагменты под действием больших усилий, которые сообщает ей коронка с твердосплавными вольфрамовыми штырями. Фрагменты породы удаляются из скважины потоком воздуха на большой скорости, который выходит из пневмоударника.

Буримость породы определяется как скорость проходки буровой коронки через буримый материал. Буримость можно только тогда точно вычислить, когда учитываются многие свойства буримого материала, например: твердость, прочность на сжатие, размер зерна, абразивность, текстура, разломные характеристики и структурные свойства.

Твердость – это стойкость материала породы к вдавливанию поверхности или к истиранию. В общем, чем выше твердость материала породы, тем труднее бурить ее. Твердость часто используется при оценке инженерных свойств материала породы, она измеряется несколькими способами. Геолог, который хочет идентифицировать минерал, делает стандартный полевой тест (царапание). При такой пробе твердость материала породы оценивается по ее стойкости к царапанию по шкале твердости Мооса. Моос последовательно расположил 10 разных минералов, от самого мягкого до самого твердого, как показано на рисунке 1.

При проведении пробы исследуемый минерал царапается всеми минералами шкалы ниже его. Проба по Виккерсу основана на лабораторном исследовании породы, когда твердость породы определяется по проникновению алмазной точки, имеющей вид перевернутой пирамиды. Число твердости определяется по измерению диагонального расстояния площади выемки.

Прочность на сжатие– это разрушающая проба, которая определяет максимальную статическую нагрузку на породу, которую она может выдержать. В общем, чем выше прочность на сжатие, тем хуже буримость материала. На рисунке 2 показана прочность на сжатие для различных распространенных типов породы.

Вместе с твердостью, прочность на сжатие является одним из наиболее распространенных методов выражения буримости породы. На рисунке 3 показана зависимость твердости по Моосу и прочности породы на сжатие.

Абразивность – зависящая от времени характеристика, она используется для оценки износа во время бурения. Абразивность определяется составом породы. Содержание кремнезема или кварца может служить надежным индикатором износа стальных деталей. Чем выше содержание кремнезема в породе, тем большего можно ожидать износа коронки, ведущего переходника и гильзы поршня. На рисунке 4 показано содержание кремнезема, обычно встречающееся в распространенных типах породы.

Текстура – это зернистость породы, она классифицируется по таким свойствам, как пористость, рыхлость, плотность и размер зерна. Все эти качества оказывают относительное влияние на скорость бурения.

Разломные характеристики описывают поведение породы под ударом молотка. Каждый тип породы имеет свойственный ему разлом, степень разлома зависит от текстуры породы, ее минерального состава и структуры.

Структурные свойства, такие, как дефекты, клеважность, напластования, слоеватость и тип контакта породы, линия наклона пласта и сам пласт влияют на структурную прочность материала породы, а следовательно, на прямолинейность бурения скважины и на скорость проходки коронки.

Из всех инженерных свойств породы, буримость наиболее привычно оценивается анализом твердости или прочности на сжатие, размером зерна или содержанием кварца в породе. Кварц является одним из наиболее распространенных породообразующих минералов. Поскольку кварц имеет очень высокую твердость, по шкале Мооса он обладает твердостью 7 и содержит большое количество кварца, то его трудно бурить. Бурение в кварце характерно низкой скоростью проходки, чрезмерным износом  твердосплавных штырей и абразивным износом металлических частей пневмоударника и коронки. И наоборот, в таком материале, как кальцит, который очень мягкий, по шкале Мооса имеет твердость 3 и низкое содержание кварца, бурение легче. Кальцит можно бурить при высокой скорости проходки, с низким износом твердосплавных штырей и малым абразивным износом металлических частей пневмоударника и коронки. Таконит, с другой стороны, имеет очень высокую прочность на сжатие, но содержит мало кварца. Таким образом, его трудно бурить, при бурении возникает сильный износ твердосплавных штырей. На рисунке 5 показано относительное влияние кварца, содержащегося в породе, на ожидаемое расстояние проходки разных частей пневмоударника.

Порода, имеющая одинаковое минеральное содержание, но отличающаяся зернистостью, бурится совсем по-разному. В общем, порода с крупной зернистостью структуры бурится легче и вызывает меньший износ, чем мелкозернистая порода. Кварцит, например, может быть мелкозернистым при размере зерна 0,5- 1,3 мм или очень плотным при размере зерна 0,05 мм. Гранит может быть крупнозернистым при размере зерна свыше 5 мм, среднезернистым при размере зерна 1,3- 5 мм или мелкозернистым при размере зерна менее 1,3 мм.

Каждое из этих условий зернистости оказывает влияние на скорость проходки в материале породы. Рисунок 6– это график, демонстрирующий относительное влияние размера зерна на скорость проходки при разных уровнях прочности на сжатие породы.

Часто бывает трудно определить вид породы и в разных местах даются различные определения, но, как видно из сказанного выше, хорошие показания буримости породы можно получить, изучая ее минеральный состав, прочность на сжатие, прочность, зернистость и структуру.

Однако, чтобы получить подробные рекомендации по бурению, необходимо выполнить пробное бурение в определенной породе. В то время, когда много информации можно получить от изучения свойств породы, самым лучшим способом оценки буримости породы являются результаты пробного бурения. При получении полевой информации для разных типов породы значения должны быть сравнимыми, то есть, должно использоваться оборудование того же типа.

Разные типы ударных пневмоударников, разные конфигурации рабочей части коронки, разные типы и размеры штырей дают различные результаты бурения.

Разные характеристики материала породы имеют различное воздействие на буровое оборудование, однако, можно сделать следующие обобщения:

• Более твердый материал породы вызывает снижение скорости проходки.
• Более твердый материал требует, как правило, большей ударной энергии, а также большего вращающего момента.
• Более твердый материал породы вызывает снижение срока службы твердосплавных штырей.
• Абразивный материал породы вызывает повышенный износ и сокращение срока службы тела коронки, ведущего переходника и гильзы поршня.
• Щели и трещины породы имеют свойство уводить буровую колонну и могут вызвать заклинивание, выход из строя резьбы и хвостовика коронки.
• Более мягкий материал породы требует более высокой скорости проходки и более высокой способности удаления буровой мелочи из скважины.

Завершение статьи…

Следите за нашими новыми материалами на нашем сайте.