Гидравлика бурового долота: как промывка улучшает производительность бурения.
Буровое долото выполняет не только функцию разрушения породы. Оно также должно быстро и равномерно удалять измельченную породу со дна скважины. Если вокруг долота остаются мелкие частицы породы, они снова измельчаются, энергия бурения расходуется впустую, глубина проникновения замедляется, а образование пыли может увеличиться.
Поэтому проектирование промывочных канавок является важной частью инженерного проектирования буровых долот. Форма промывочных канавок, направление выхода воды или воздуха и вращение долота — все это влияет на эффективность удаления шлама из скважины.
Почему важно удалять черенки
При ударном бурении твердосплавные вставки или пластины разбивают породу на фрагменты. Эти фрагменты должны переместиться со дна скважины через промывочные каналы долота и выйти из скважины.
При плохом удалении породы буровой шлам скапливается на дне скважины. В результате долото многократно ударяется о уже разрушенный материал, вместо того чтобы работать со свежей породой. Это создает ряд проблем:
Низкий уровень проникновения.
Более высокое энергопотребление на единицу пробуренного метра.
Более быстрый износ твердосплавных и долотовых сталей.
Повышенный нагрев в режущей части.
Увеличилось количество мелкой пыли и ухудшилась видимость.
Повышенный риск заклинивания бурового долота или нестабильного бурения.
Эффективная промывка помогает каждому удару выполнять полезную работу. Она также охлаждает буровое долото и защищает бурильную колонну от излишней вибрации и нагрузки.
Традиционная конструкция промывочной канавки
Во многих традиционных буровых долотах используются промывочные канавки, расположенные примерно параллельно оси долота. Такая конструкция обеспечивает свободный проход для потока и проста в изготовлении. Однако она не всегда отражает фактический путь жидкости, содержащей буровой шлам, во время бурения.
Буровое долото не остается неподвижным. Оно одновременно ударяется, вращается и продвигается вперед. В результате вода или воздух, несущие мелкие частицы породы, движутся по криволинейной траектории, а не по прямой осевой траектории. Чем быстрее вращается долото, тем сильнее может стать этот вращательный эффект.
Если геометрия канавки не поддерживает естественное движение промывочного потока, сопротивление возрастает. В этом случае требуется больше энергии для транспортировки бурового шлама через канавку и вверх по отверстию.
Обтекаемая геометрия канавок
Обтекаемая промывочная канавка предназначена для направления воды, воздуха и бурового шлама по более плавному пути потока. Вместо того чтобы рассматривать канавку как простой прямой канал, в конструкции учитывается комбинированное воздействие осевого промывочного потока и вращения бурового долота.
Наиболее подходящий угол канавки зависит от нескольких факторов:
Скорость вращения бита.
Диаметр сверла.
В качестве промывочной среды: вода, воздух или комбинированная система.
Диаметр отверстия и глубина сверления.
Тип породы и размер образовавшегося рудного рудного слоя.
Дизайн лицевой панели и расположение кнопок.
На практике более высокие скорости вращения могут потребовать более выраженного угла канавки, поскольку поток шлама имеет более сильную окружную составляющую. При бурении на более низких скоростях может потребоваться меньший угол. Цель состоит в снижении турбулентности и ненужного сопротивления потоку при сохранении достаточной площади проходного сечения для надежного удаления шлама.
Направление промывочного отверстия имеет не меньшее значение.
Положение и направление промывочных отверстий влияют на эффективность удаления бурового шлама с рабочей поверхности долота. Промывочные отверстия на рабочей поверхности помогают перемещать мелкие частицы наружу из центральной зоны. Промывочные отверстия в канавках могут способствовать транспортировке этого материала в основной обратный поток.
Если эти два потока противодействуют друг другу, происходит потеря энергии, и буровой шлам может циркулировать или оседать вблизи измерительной зоны. Более эффективная конструкция предполагает координацию направления выходных отверстий таким образом, чтобы пути потоков поддерживали друг друга.
Цель состоит не просто в достижении максимального давления воды. Эффективная промывка достигается за счет рационального использования имеющегося давления. Хорошо спроектированная система может направлять поток к участкам, где наиболее вероятно скопление бурового шлама, особенно у забоя и вдоль измерительного участка.
Преимущества улучшенной гидравлики бурового долота
Улучшенная геометрия промывки может обеспечить ряд эксплуатационных преимуществ:
Более быстрое удаление щебня.
Более высокий уровень проникновения.
Снижена степень повторного измельчения измельченного материала.
Снижена температура рабочей поверхности бура.
Улучшена долговечность твердосплавных и стальных корпусов.
Более стабильные условия бурения.
Снижение образования мелкодисперсной пыли в воздухе.
В результате энергия удара буровой установки используется более эффективно. Вместо многократного измельчения мелких частиц, буровое долото может поддерживать контакт со свежей породой и продвигаться более эффективно.
В полевых условиях фактическое улучшение зависит от состояния горных пород, параметров бурения и всей буровой системы в целом. Конструкция долота, хорошо работающая в твердых, сухих породах, может потребовать иных характеристик промывки в мягких, трещиноватых или водоносных грунтах.
Конструкция должна соответствовать всей буровой системе.
Конструкция системы промывки неотделима от остальной части бурового долота. Расположение кнопок, форма рабочей поверхности, защита измерительного прибора, диаметр долота и настройки бурового долота — все это влияет на гидравлические характеристики.
Например, буровое долото с превосходными промывочными канавками может показывать плохие результаты, если подача воды недостаточна, отверстие для промывки штанги забито или буровая бригада использует неподходящие настройки подачи и вращения. Аналогично, правильная форма канавок должна соответствовать имеющемуся давлению и ожидаемому объему бурового шлама.
Производителям бурового инструмента следует использовать лабораторные испытания, анализ потоков жидкости и полевые испытания для оценки новых конструкций буровых долот. Буровые бригады должны отслеживать скорость проходки, уровень пыли, износ долота, эффективность промывки и состояние скважины при сравнении различных вариантов долот.
Более эффективный путь потока способствует более качественному бурению.
Эффективность бурения горных пород определяется не только силой удара или качеством карбида. Не менее важно и то, как вода, воздух и шлам обтекают долото. Долото с обтекаемыми канавками и согласованными промывочными отверстиями может снизить сопротивление потоку, эффективнее очистить дно скважины и повысить эффективность каждого удара.
Для горнодобывающих предприятий, карьеров и строительных подрядчиков выбор бурового долота с хорошо продуманной геометрией промывки может снизить износ, повысить производительность и обеспечить более безопасные и чистые буровые работы.
