Аналитический метод проектирования режима бурения скважин применяется в двух вариантах.
При первом варианте необходимы данные о физических свойствах горных пород, слагающих геологические разрезы скважин, и об основных характеристиках долот, которые желательно получать на этапе бурения разведочных скважин.
Для успешного применения второго варианта проектирования режима бурения должны быть известны сведения о параметрах эмпирических зависимостей средней механической скорости проходки от осевой нагрузки на долото и частоты вращения долота – Vм = f (G; n), а также зависимости долговечности долота (в первую очередь его опоры – Топ) от G и n: Топ= f (G; n). Этот вариант более эффективен при бурении опорно-технологических скважин (ОТС), когда имеется возможность постоянно корректировать величины коэффициентов, входящих в такие зависимости, что является одним из существенных недостатков варианта в связи с удорожанием буровых работ при бурении ОТС. Определение коэффициентов осуществляется с применением методов статистики, поэтому этот вариант проектирования режима бурения фактически является промежуточным между статистическим методом и первым вариантом аналитического метода.
Необходимо особо отметить: большая часть алгоритмов первого варианта метода проектирования режима бурения основана на достаточно глубоком научном понимании процессов, происходящих в скважине и на забое, и дает четкое представление о балансе затрат энергии в скважине, что позволяет квалифицированно и эффективно анализировать как ранее, так и на перспективу запроектированные режимы бурения, а также целенаправленно совершенствовать технику и технологию бурения глубоких скважин.
Частоту вращения долота для обеспечения tК при которой возможна реализация расчетной нагрузки на долото находят:
;
где Кt=4,8-7,2
tn-шаг зубьев; R- радиус долота;tК- время контакта для М 2-4, Т 4-8 млс.
При известных величинах осевой нагрузки на долото, в частности ее динамической составляющей (Gд), модуля упругости (Е) и площади поперечного сечения тела (F) динамически активного участка, например вала забойного двигателя, частоту вращения долота для обеспечения tк определим по формуле
с - скорость звука в материале вала двигателя, с = 5100 м/с; b - угол между осью шарошек в долоте, обычно sinb = 0,80...0,82; Е = 2,1×1011 Па (для стали); tк - в мс; Gд - в Н.
Осевая нагрузка G3 для объемного разрушения породы.
Выполнение поставленной задачи обеспечивается, если величина G3 рассчитывается с привлечением твердости пород по штампу (Рш) согласно условию G3 = Рш × Fк × Кд,
где Fк - площадка контакта вооружения долота с забоем в момент приложения всей величины G3 (опорная площадь), м2; Кд - коэффициент динамичности приложения G3; Кд.со= 1,0 -1,3;
Рш - в Н/м2; G3 - в Н. Для расчета G3 таким методом имеется достаточно информации о Рш, категориях твердости (Кт) и абразивности (Ка) пород и др. Таким образом, остается правильно определить Fк. Fк рассчитываю метод "отпечатков", учитывающий динамику перемещения долота на забое и согласующийся с методом измерения Рш. Таким образом, для инженерных расчетов при турбинном бурении Fк = åli* × в3. Сумму длин зубцов по образующим шарошек, одновременно находящихся в интенсивном силовом контакте с забоем, находим по формуле ål* = Кl × lj × e0, где Кl - коэффициент, которым учитывается, что при бурении с забойными двигателями в определенный момент времени забой разрушается зубцами венцов П и смежных о ними или зубцами центральных венцов (по отношению к оси долота), что неизбежно при поперечных колебаниях долота: Кl = 1,0 - 0,33 при среднем значении Кlср@0,67, особенно для более мягких пород; li - сумма длин зубцов по образующей от одной шарошки; e0 - число шарошек, находящихся в одновременном (или с незначительной фазой в отставании) интенсивном силовом контакте с породой на забое скважины. Ширина в3 измеряется (от вершины зубца к его основанию) на расстоянии dз от вершины зубца при условии его вдавливания в породу на dз = 0,5 - 2,0 мм. Нижний предел dз следует брать для твердых пород и крепких, а верхний - для мягких, мягко-средних.