ЛЕКЦИЯ 7
Разрушение горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин происходит при следующих механических воздействиях на них породоразрушающего инструмента: удар, вдавливание, резание.
Под действием ударной нагрузки в горной породе, прилегающей к забою скважины, распространяются волны напряжений, которые приводят к росту повреждаемости горной породы и её разупрочнению.
При вдавливании породоразрушающих элементов вооружения долота в горную породу осевым усилием разрушение последней происходит в условиях реализации под площадкой давления трехосного неравнокомпонентного напряженного состояния сжатия.
Резание горной породы происходит под воздействием сдвигового (тангенциального) усилия со стороны предварительно внедрившегося в горную породу забоя инструмента. Сила резания со стороны инструмента обеспечивает возникновение состояние сжатия перед передней гранью породоразрушающего элемента вооружения и в зависимости от механических свойств горной породы при данном давлении и температуре вызывает либо резание, либо скалывание горной породы.
Резание - непрерывный процесс отделения слоя горной породы с поверхности забоя. Породоразрушающий инструмент производит резание только высокопластичных и сильнопористых горных пород. С возрастанием упругих свойств горной породы ее разрушение под действием усилия резания происходит в результате скалывания. Скалывание – дискретный процесс отделения частиц горной породы забоя под воздействием сдвигового усилия со стороны инструмента.
Породоразрушающие инструменты, используемые в бурении, по cвоему назначению делятся на три группы:
1) буровые долота - для бурения сплошным забоем,
2) бурильные головки и коронки - для бурения кольцевым забоем с образованием и последующим отбором керна,
3) вспомогательный инструмент для выполнения специальных работ в пробуренной скважине (выравнивание и расширение диаметра), обсадной колонне (разбуривание цементного камня и пр.) - пикообразные и зарезные долота, фрезеры, расширители, калибраторы и пр.
По принципу взаимодействия с горной породой породоразрушающие инструменты первой и второй групп делят на три подгруппы:
1) режуще-скалывающие (РС) - лопастные долота, разрушающие горную породу лопастями – для разбуривания пластичных и малоаб-разивных горных пород, обладающих небольшой твердостью,
2) дробящие, разрушающие горную породу с помощью ударного воз-действия,
3) дробяще-скалывающие (ДС ) - шарошечные долота, разрушающие горную породу зубьями, расположенными на шарошках. Применяются для бурения абразивных и неабразивных горных пород от средней твердости и выше.
Заметим, в породоразрушающих инструментах первой подгруппы иной раз выделяют подгруппу инструментов истирающе-режущего (ИР) действия (алмазные и твердосплавные долота), разрушающие горную породу алмазными зернами или твердосплавными штырями, расположен-ными в торцевой части долота.
Разрушение горных пород инструментом РС- действия обеспечивается вдавливанием и резанием, инструментом дробящего действия – динами-ческим приложением нагрузки (ударом), инструментом ДС действия - ударом, вдавливанием, резанием. Поскольку породоразрушающий инструмент дробящего действия при бурении нефтяных и газовых скважин практически не используется, то основное внимание мы уделим рассмотрению работы инструмента первой и третьей подгрупп.
Схемы взаимодействия с горной породой породоразрушающих элементов вооружения бурового инструмента приведены на рис. 12.
Породоразрушающий инструмент подгрупп РС-действия и ИР-дей-ствия характеризуется выполнением вооружения в виде лопастей или секторов. Породоразрушающий элемент долота называется лопастью, если его высота значительно превосходит толщину, и сектором, если его высота меньше или равна толщине.
Породоразрушающий инструмент РС и ИР-действия вращается вокруг своей оси с угловой скоростью w (dim w = рад/с = с-1), при этом инструмент непрерывно вдавливается в горную породу осевым усилием F, производя разрушение породы под пятном контакта, а сила резания T обеспечивает разрушение горной породы перед передней гранью породоразрушающего элемента долота, срезает слой горной породы толщиной d (рис. 12).
Долотом дробящего действия массой m наносятся удары по поверхности забоя. Динамическое разрушение описывается уравнением для кинетической энергии W k инструмента и потенциальной энергии U деформирования породы. Закон сохранения энергии W k = U является основной для анализа ударного взаимодействия долота с горной породой.
Породоразрушающий инструмент ДС- действия отличает размещение вооружения в виде инденторов (зубьев) на вращающихся деталях – шарошках. Каждый зуб долота дробяще-скалывающего действия вначале наносит удар по горной породе забоя скважины, затем вдавливается в породу силой F и одновременно с этим участвует в обусловленных кинематикой долота скольжении со скоростью V и вращении с угловой скоростью W, величина которой определяется угловыми скоростями вра-щения шарошки вокруг оси долота wд и вокруг своей оси wш .
Общим для первой и третьей подгрупп инструментов является внедрение породоразрушающих элементов вооружения долот в горную породу под действием осевого усилия F и вращение инструментов. На забое скважины разрушение горной породы осуществляется при одновременном действии не только осевого усилия, но и тангенциальной силы T. Появление силы резания T при использовании инструмента третьей группы обеспечивается конструктивными особенностями этих долот.
В бурении характеристикой вращения бурового оборудования (буро-вой колонны, породоразрушающего инструмента) чаще является число оборотов n или равноценная ей характеристика - частота оборотов f. Обе эти величины характеризуют число оборотов в единицу времени (dim n = dim f = об/с = с-1). Традиционно число оборотов в бурении измеряется в оборотах в минуту (об/мин) = 1/мин. Величина, обратная числу оборотов, определяет продолжительность одного оборота, т.е. период T = n-1 = f-1.
Угловая скорость w связана с периодом соотношением
w = 2p/T.
Величина линейной скорости при вращательном движении точки, находящейся на траектории диаметром d, определяется выражением
V = wd / 2 = pdn.
Возможность использования той или иной подгруппы инструментов для бурения скважины определяются механическими свойствами горных пород, главным образом величиной их твердости и абразивности. В пределах каждой подгруппы (РС, ИР, ДС) инструменты имеют особенности в зависимости от того, для горных пород какой абразивности и твердости они предназначены. Соответствие абразивности горных пород отражает класс инструмента, а твердости – тип инструмента. Породоразрушающие инструменты изготавливают двух классов: инстру-менты первого класса cо стальным фрезерованным вооружением предназ-начены для разбуривания неабразивных горных пород, второго класса с вставным твердосплавным вооружением – абразивных пород. Тип инстру-мента определяется величиной твердости горной породы.