Буровые долота с охлаждением сжатым воздухом: решение для сухого бурения, которого так долго ждали угольные шахты.
Если вы когда-либо работали на буровой площадке угольной шахты, вы знаете этот звук. Буровая установка вращается, штанги подают материал — и вдруг всё останавливается. Застрявшая буровая колонна. Сгоревший резец PDC. Половина смены потеряна. Вы вытаскиваете буровое долото, и что вы видите? Режущая поверхность обгорела, канавки забиты мокрым шламом, превратившимся в цемент, а буровая штанга выглядит так, будто пережила войну.
Это не редкость. В мягких, трещиноватых или чувствительных к воде угольных пластах традиционное бурение с промывкой водой создает столько же проблем, сколько и решает. Вода вызывает набухание пласта. Набухание сдавливает скважину. Скважина сдавливает буровую штангу. И внезапно вы сталкиваетесь с застрявшей буровой колонной, испорченным долотом и бригадой, стоящей и ожидающей, пока буровая установка освободится.
Сверла с охлаждением сжатым воздухом полностью меняют правила игры. Никакой воды. Никакого разбухания. Никакого заклинивания бурового стержня. Просто высокоскоростной поток воздуха, выполняющий сразу три задачи: охлаждение сверла, удаление бурового шлама и поддержание сухости отверстия.
Почему вода стала проблемой, а не решением
На протяжении десятилетий промывка водой была стандартным методом охлаждения буровых долот и транспортировки шлама при подземном бурении. Это работает отлично — до тех пор, пока не перестает работать. Проблемы проявляются в зависимости от геологического строения, и, к сожалению, угольные пласты — именно тот тип пластов, который наиболее эффективно противостоит системам, использующим воду.
Мягкий аргиллит набухает при контакте с водой. Сланец распадается на пастообразную массу. А когда нарушается циркуляция или бурение прекращается, влажный шлам оседает и затвердевает вокруг буровой штанги, как низкосортный бетон. Приходит утренняя смена, запускает буровую установку, а штанга не двигается. Теперь приходится вытаскивать ее из воды — или, что еще хуже, бурить скважину заново.
Затем следует сам буровой инструмент. Резцы из поликристаллического алмаза (PDC) генерируют интенсивное тепло трения на поверхности породы. Без постоянного охлаждения температура режущей кромки резко возрастает, превышая 350 °C. Алмазный слой окисляется. Карбидная основа размягчается. Режущая кромка скалывается. Буровой инструмент, который должен прослужить 300 метров, может выйти из строя при температуре 80 градусов, и никто на поверхности об этом не узнает, пока скорость проходки резко не упадет.
Как работают компоненты системы охлаждения сжатым воздухом: три вещи одновременно.
Концепция конструкции проста, но именно исполнение отличает эффективные сверла от маркетинговых уловок. Корпус сверла имеет внутренние воздушные каналы, подающие сжатый воздух — обычно под давлением от 0,7 до 1,2 МПа — через прецизионно обработанные сопла на рабочей поверхности сверла, каждое из которых имеет диаметр 2 мм или менее. Когда этот сжатый воздух выходит через такое маленькое отверстие, он ускоряется, образуя высокоскоростную струю, направленную непосредственно в зону резания.
Это позволяет одновременно выполнить три действия.
Первый, целенаправленное охлаждениеВоздушная струя в режиме реального времени отводит тепло от режущей поверхности PDC-резца, поддерживая алмазный стол значительно ниже порога его износа. Отсутствие воды означает отсутствие термического шока от попеременного нагрева и закалки — процесса, который приводит к микротрещинам в резцах при многократных циклах. Долото, работающее на охлаждении сжатым воздухом, может прослужить в два-три раза дольше, чем аналогичное долото, продуваемое водой, в сопоставимых геологических формациях.
Второй, высокоэффективное удаление отходовСжатый воздух не просто выталкивает шлам — он выдувает его. Восходящая скорость воздушного потока в кольцевом пространстве между бурильной штангой и стенкой скважины создает достаточную подъемную силу, чтобы выносить стружку даже из глубоких горизонтальных или наклонных скважин. На практике операторы сообщают о четырех-пятикратном увеличении скорости удаления шлама по сравнению со стандартными пневматическими буровыми долотами, и разница еще более заметна при работе с водными системами в вязких породах.
Третий, настоящее сухое бурениеОтсутствие воды на любом этапе бурения. Это означает, что пласты, набухающие при контакте с влагой, остаются стабильными. При остановке бурения вокруг штанги не образуется осадок. При возобновлении бурения нет необходимости разрывать цементированное соединение. Для газоотводных скважин есть дополнительное преимущество: отсутствие загрязнения метана водой, что позволяет поддерживать более высокие показатели добычи на протяжении всего срока эксплуатации скважины.
Где эти моменты действительно проявляют себя во всей красе
Не для каждой скважины требуется охлаждение сжатым воздухом. При бурении твердой, сухой, прочной породы с хорошим подъемом шлама вполне подойдут традиционные буровые долота с воздушной или даже водяной промывкой. Но в определенных условиях на практике требуется именно такая конструкция:
Мягкие, чувствительные к воде образования — аргиллиты, глинистая порода, набухающий сланец. Вода превращает их в клей.
Глубокие дренажные скважины для отвода метана из угольных пластов — длинные скважины, где буровой шлам накапливает соединения на расстоянии, и где вода в скважине снижает проницаемость для метана.
Угловое и сквозное бурение — Отверстия с отрицательным углом, где вода и буровой шлам скапливаются у забоя, вместо того чтобы вытекать наружу. Струям сжатого воздуха гравитация не страшна.
Разведочное бурение в трещиноватых грунтах — где нарушение циркуляции делает невозможным поддержание смыва водой.
Эти буровые долота обычно используются на гидравлических подземных буровых установках серий ZYWL и ZDY и совместимы со стандартными соединениями бурильных штанг — никаких специальных изменений в инструменте, кроме самого долота, не требуется.
На что обращать внимание при выборе одного из них
Не все устройства для охлаждения сжатым воздухом одинаковы. Вот на что стоит обратить внимание перед покупкой:
Конфигурация сопла. Одно центральное сопло не обеспечивает равномерного охлаждения всех режущих кромок. Ищите сверла с несколькими соплами, расположенными по всей рабочей поверхности и направленными на основные зоны резания. Диаметр сопла также имеет значение — менее 2 мм обеспечивает необходимую скорость струи, но слишком маленький диаметр увеличивает риск засорения мелкой пылью.
Материал корпуса и закалка. Корпус бурового долота, изнашивающийся изнутри под воздействием высокоскоростного воздушного потока, рано или поздно выйдет из строя. В качественных буровых долотах используются корпуса из закаленной стали с внутренними каналами, которые либо изготавливаются из цельного куска стали (а не отливаются), либо имеют износостойкие вставки.
Класс и расположение режущего инструмента. Качество резцов PDC имеет еще большее значение при бурении всухую, поскольку отсутствует вода, которая смягчала бы термические колебания. Ищите резцы, рассчитанные на термическую стабильность не менее 500°C, и обращайте внимание на угол наклона — слегка отрицательный угол наклона лучше справляется с ударными нагрузками в трещиноватом грунте, чем нейтральный или положительный.
Качество соединения потоков. Ударные нагрузки от пульсаций воздуха в буровом долоте могут привести к ослаблению соединений на больших расстояниях. Резьба, соответствующая стандарту API, с надлежащей термообработкой на конце фитинга предотвратит разъединение в середине скважины.
