ЛЕКЦИЯ 14
Влияние параметров режима бурения
На механическую скорость
Каждый параметр режима бурения (F, n, Q) влияет на эффективность разрушения горных пород по-своему, причем влияние каждого из пара-метров на изменение механической скорости зависит от фиксированной величины других параметров. То или иное значение механической скорости бурения Vмех зависит не только от эффективности разрушения горных пород на забое скважины (это лишь одно из условий роста механической скорости), но и от совершенства очистки забоя от шлама, эффективности выноса шлама на поверхность.
Необходимость увеличения механической скорости бурения очевидна: согласно оценкам, проведенным специалистами Башкирской буровой шко-лы, возрастание Vмех в два раза снижает стоимость 1 м проходки на 50 %, увеличение же стойкости долота снижает стоимость 1 м проходки только на 11 %.
Влияние осевого усилия
При механическом способе разрушения горных пород основная доля энергии расходуется на внедрение породоразрушающих элементов воору-жения в горную породу. Величина давления, создаваемого породоразру-шающим инструментом на забое скважины, определяется не только величиной осевого усилия F, но и значением контактной площади S к данного долота. Под контактной площадью понимается сумма площадей всех зубьев на всех шарошках, контактирующих в данный момент с горной породой забоя скважины (для шарошечных долот), сумма площадей торцо-вой поверхности лопастей (для лопастных долот). Величина контактной площади всех долот (шарошечных, лопастных, алмазных) табулирована.
При увеличении контактного давления P к = F / S к, линейно зависящего от осевого усилия, разрушение на забое происходит по-разному:
а) Р к > Н. В этом случае под пятном контакта возникает объемное разрушение горных пород. Оно характеризуется тем, что возникает при единичном взаимодействии породоразрушающего элемента с данной “точкой” поверхности горной породы. Возникающие частицы шлама имеют максимальную величину. Разрушение при выполнении приведен-ного условия является наиболее эффективным.
б) Р к < Н. При такой величине контактного давления возникает усталостно-объемное разрушение горной породы. Непременным условием возникновения разрушения является неоднократное действие породо-разрушающего элемента на одну и ту же точку забоя. Разрушение при этом связывают с развитием трещин в горной породе под пятном контакта при каждом ударном цикле нагружения. Вид лунки выкола такой же, какой возникает при объёмном разрушении.
Количество циклов нагружения n, необходимое для разрушения горных пород, зависит от их механических свойств: с увеличением хрупкости пород величина n меньше. Зависимость между величиной контактного давления P к и количеством циклов нагружения n, необходимых для разрушения породы, имеет вид (Рис. 23). Эта уста-лостная кривая описывается уравнением
Р кm n = С,
 |
где m - показатель степени, С = const - постоянная усталостной кривой.
Чем больше P к, тем меньше необходимо создать циклов нагружения для разрушения горной породы.
Минимальное контактное давление, вызывающее усталостное разрушение при циклическом нагружении при выполнении условия Р к < Н, называется пределом усталости горной породы Р ус. Считаетcя, что
Р ус = (1/20 ¸ 1/30). Н.
Установлено, что механизм усталостно-объёмного разрушения горных пород похож на механизм разрушения хрупких горных пород при статическом вдавливании индентора: лунка выкола возникает вследствие раздробления горной породы под пятном контакта, передачи давления от индентора на окружающую породу и возникновения вокруг пятна контакта овальной (если индентор имеет прямоугольную площадку вдавливания) или круглой (при цилиндрическом инденторе) трещины, последняя стадия разрушения связана с раздавливанием уплотненного ядра под индентором и образованием лунки.
в) Р к £ Н. Это условие является условием поверхностного разрушения горной породы в результате истирающего действия инструмента. Скорость бурения при выполнении этого неравенства незначительна. Размер частиц шлама незначителен.
Зависимость механической скорости бурения от величины осевого усилия F (контактного давления Р к) при фиксированной скорости вращения имеет вид (Рис. 24).
Представленное на рис. 24 изменение механической скорости бурения от величины осевого усилия указывает на различный механизм разрушения горных пород в трех областях изменения F (или Р к). При малых нагрузках (участок I) зависимость Vмех = f(F) линейная: прямая выходит из начала координат. Угол наклона прямой к оси F характеризует
 |
интенсивность изменения механической скорости при росте осевого усилия. Касательная к кривой, проведенная на участке II, свидетельствует о том, что в этом диапазоне изменения осевого усилия прирост механической скорости больше, чем на первом участке (касательная отсекает от оси F положительный отрезок). На участке III угол наклона касательной меньше, чем на участке II, что свидетельствует о том, что на третьем участке изменение Vмех при росте F меньше, чем на втором участке (касательная отсекает от оси F отрезок, расположенный левее начала координат).
Часто зависимость Vмех = f(F) представляют в виде степенной зависи-мости
Vмех = кFa.
При a = 1 из этого выражения получаем связь между Vмех и F для участка I, при а > 1 – для второго, при а < 1 – для третьего участка.
При бурении скважины выбранное значение осевого усилия может обеспечить появление любого из приведенных участков. Рекомендация увеличивать величину осевого усилия F для реализации объемного разрушения не всегда оправдана, т.к., во-первых, часто при больших усилиях начинается интенсивный износ долота, приводящий к снижению Vмех, во-вторых, бурение при меньщих осевых нагрузках, сопровожда-емое снижением механической скорости, часто приводит к достижению положительного результата, например, росту проходки на долото, росту рейсовой и коммерческой скорости, снижению себестоимости метра проходки. Cледует иметь в виду и следующее: увеличение осевого усилия приводит к росту интенсивности искривления скважины, что связано с возрастанием отклоняющей силы при увеличении прогиба КНБК, большим разрушением стенки скважины.
Приведенное на рис.24 изменение механической скорости отличает не только бурение скважин шарошечным, но и лопастным долотом. Причем, в последем случае области разрушения I, II, III определены точнее.
При осевом усилии на долото F £ 0,4HS к, где S к - площадь контакта данного лопастного долота с породой на забое, зависимость механической скорости бурения от осевого усилия линейная, но увеличение механи-ческой скорости незначительно. При F = (0,4 ¸ 0,6) HS к прирост осевого усилия превышает увеличение механической скорости, рост механической скорости про-исходит по степенному закону; разрушение горной породы реа-лизуется в усталостном режиме.
При изменении осевого усилия в диапазоне (0,6 ¸ 0,9) HS к прирост механической скорости опережает прирост осевого усилия на долото. В этом диапазоне изменения осевого усилия разрушение горной породы происходит в объёмном режиме. Максимального значения механическая скорость имеет при достижении механическим усилием значения (1,0 ¸ 1,1)HS к. Но вести бурение при такой нагрузке нецелесообразно по следующей причине: происходит поломка лопастных долот и бурового оборудования, искривление ствола скважины.
Выбор параметра режима бурения – осевой нагрузки на долото – по диаграмме Vмех = f(F) не гарантирует от ошибок.
В настоящее время при бурении чаще всего реализуется поверхностное (при турбинном бурении) и усталостно-объемное разрушение горных по-род. Связано это, в основном, с тем, что материал, из которого изготав-ливается породоразрушающий инструмент, меньше изнашивается при реализации усталостно-объёмного разрушения.
Контроль за величиной F при бурении скважины реализуется с помощью индикаторов веса гидравлических (ГИВ), электрических (ЭИВ), которые устанавливаются на неподвижном конце талевого каната.
Влияние частоты вращения долота
Общий вид зависимости Vм = f(n) хорошо известен из работ В.С.Федорова (рис.25). На кривой выделяются два линейных участка: начальный и конечный. На этих участках V м изменяется пропорционально n, что свидетельствует о постоянстве проходки за оборот d.
Основными факторами, определяющими вид кривой V м = f(n), являются следующие: время контакта tк зуба шарошечного долота с горной породой и число поражений забоя зубьями долота. С увеличением частоты вращения n возрастает число поражений забоя зубьями шарошечного долота в единицу времени, возрастает скорость соударения. Это обеспечивает рост механической скорости бурения. Но одновременно с этим увеличение n обеспечивает и снижение времени контакта tк, что снижает эффективность разрушения горных пород и, как следствие, механическую скорость.
На участке кривой V м = f(n), расположенном между начальным и конечным линейными участками, изменение механической скорости, происходящее при постоянной осевой нагрузке, но росте частоты вращения, характеризуется снижением темпа прироста механической скорости. При определенной частоте вращения nкр наблюдается резкое снижение темпа прироста механической скорости. Это происходит вследствие резкого уменьшения глубины внедрения зуба долота в горную породу за один оборот, снижения времени контакта зуба долота с забоем скважины.
 |
Энергоемкость разрушения возрастает. По этой причине бурение скважины с частотой вращения n > nкр нерационально. Хрупким, пластично-хрупким, пластичным горным породам соответствуют свои критические частоты вращения долота, превышение которых вызывает снижение механической скорости.
При данном значении осевого усилия увеличение n долота с цельюповышения механической скорости целесообразно лишь до тех пор, пока возрастает рейсовая скорость бурения.
Обладая технологической информативностью, зависимость Vм = f(n), тем не менее, не может быть гарантом выбора рекомендуемого значения частоты вращения n. Тому есть причина: отсутствие приборов, надежно контролирующих частоту вращения. В роторном бурении частота вращения долота равна частоте вращения ротора и может быть измерена тахометром достаточно точно. Для измерения частоты вращения долота в турбинном бурении используется турботахометр, датчик которого уста-навливается в верхнем узле турбобура и соединяется с валом последнего. Работа турботахометра основана на фиксации специальной аппаратурой, устанавливаемой на вертлюге, импульса давления, формируемого при кратковременном перекрытии трубного пространства через каждые 10 оборотов вала турбобура. Каналом связи служит гидравлический канал внутри бурильной трубы. Особенностью гидравлического канала связи является существенное затухание энергии сигнала в связи с потерями на трение у стенок колонны и наличие помех, создаваемых работающим бу-ровым насосом.
С увеличением глубины скважины в большей степени проявляются пластические свойства горных пород, требуются большие деформации до разрушения и большая длительность контакта зубьев долота с забоем. Это вызывает необходимость снижения частоты вращения долота с углуб-лением скважины. Существует и другая причина, по которой необходимо снижать величину n при росте глубины скважины: значительный рост мощности, необходимой для привода ротора, с увеличением n и увели-чением глубины скважины из-за роста потерь на трение бурильной колон-ны о стенку скважины.
Частота вращения инструмента оказывает существенное влияние на качественный отбор керна. Повышение частоты вращения всегда обес-печивает снижение интенсивности искривления скважины.