Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Общие закономерности в процессах бурения скважин и факторы их определяющие

09.05.2019


Разрушение породы на забое скважины при механических способах бурения происходит за счет действия сил, вызывающих деформацию определенного вида: смятие, раздавливание, уплотнение, резание, скалывание, дробление и т. д. Естественно, что при этом порода оказывает определенное сопротивление и тем большее, чем она прочнее, чем менее совершенными являются способ воздействия на нее и конструкция ПРИ, чем неблагоприятнее условия внедрения породоразрушающих элементов. Управляемыми в этом процессе являются главным образом способ воздействия, конструкция и качество ПРИ, а также режимы его работы. Обоснованный выбор и совершенствование этих факторов применительно к характеру разрушаемой породы позволяет повышать эффективность процесса бурения скважин. С другой стороны, существует возможность уменьшать сопротивление горных пород разрушению, в частности, путем понижения их твердости химическими или физическими средствами.

Способ воздействия породоразрушающим органом определяет характер действующих сил (нагрузок), которые могут быть в общем случае статическими, динамическими или комбинированными. В соответствии с этим выделяются основные способы механического разрушения пород — вращательный, ударный, вращательно-ударный, ударно-вращательный, вибрационный, виброударный и др. Каждый из них является наиболее эффективным только в определенных условиях.

Эффективность разрушения горных пород зависит в значительной степени от энергоемкости процесса разрушения и соответственно от количества подводимой энергии, от работоспособности применяемых ПРИ и, наконец, от характеристики среды, в которой происходит разрушение породы (вода или воздух, температура, давление). Количество энергии, затрачиваемой на разрушение породы, в свою очередь, зависит от режима работы ПРИ — усилия подачи или осевой нагрузки, скорости вращения инструмента или частоты вращения и шламового режима. Все эти параметры тесно связаны между собой, поэтому эффективность действия каждого из них будет определяться значением других.

Исследованиями установлено, что при вращательном бурении скважин со свободной подачей и достаточно полной очисткой забоя от шлама, механическая скорость бурения в общем виде выражается функциональной зависимостью от ряда величин:
Общие закономерности в процессах бурения скважин и факторы их определяющие

где о — сопротивление породы разрушению; Kп — коэффициент пластичности породы; А — показатель абразивности породы; Gо — осевая нагрузка; vp — скорость резания — перемещения резцов по забою; n — частота вращения породоразрушающего инструмента; Q — интенсивность очистки забоя от продуктов разрушения.

Эта функциональная зависимость в явном виде может иметь частные значения для каждого типоразмера ПРИ. Так, при разрушении пород резцами из твердых сплавов

где К — коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров резцов и некоторых свойств пород; hy — толщина срезаёмого каждым резцом слоя породы при установившемся режиме резания; m — количество резцов в ПРИ; n — частота вращения ПРИ.

Для определения глубины внедрения резца в зависимости от действующих сил в установившемся режиме резания предложен ряд формул. В частности, проф. В. С. Владиславлевым получена аналитическим путем формула вида

где Co — осевая нагрузка; o — сопротивление породы разрушению; b — длина режущей кромки (лезвия) резца; f — коэффициент трения о породу; K1 — коэффициент, характеризующий положение точки приложения силы резания; A — ширина площадки притупления.

В этом выражении не учитывается ряд факторов, например угол резания и скорость движения резца (скорость резания).

В результате исследований, проведенных на кафедре техники разведки в Томском политехническом институте, получена формула, которая более полно учитывает факторы, влияющие на толщину снимаемого слоя породы при вращении коронки, оснащенной резцами:

где N1 — сопротивление породы при внедрении резца под действием двух сил Go и Fp в установившемся режиме его работы; о — контактное напряжение (под торцом резца); В — угол резания. Исследованиями также установлена зависимость

где N0 — сопротивление породы перемещению резца под действием сил Gо и Fр с начальной скоростью резания v0; е — основание натурального логарифма; К — коэффициент пропорциональности; vp — скорость резания. Для условий экспериментирования было установлено, что N0 в 0,25 Hв, где Hв — твердость пород на вдавливание цилиндрического штампа. Тогда, пользуясь выражением (7.11), можно записать:

Или, выразив n через окружную скорость вращения коронки w (скорость резания vp) и диаметр коронки Dср, пользуясь выражением

и, подставив его значение в выражение (7.13), будем иметь

Отсюда видно, что мгновенная механическая скорость бурения зависит от усилия подачи, частоты вращения или скорости резания, количества резцов и их параметров, диаметра, коронки, величины коэффициента трения и твердости породы, а также от угла резания. Таким образом, эффективность разрушения или буримость горных пород при вращательном способе бурения зависит от природных условий (свойств пород), а также от технологических и технических факторов, между которыми существует достаточно тесная корреляционная связь.

К природным условиям относятся прежде всего физико-геологические и физико-технические свойства горных пород, основными из которых являются: твердость, упругость, хрупкость, пластичность, абразивность и устойчивость пород. Этими и другими свойствами определяются сопротивление горных пород разрушению, износ породоразрушающего инструмента, горное давление (вертикальное и боковое), пластовое давление, поведение пород при взаимодействии с водой и т. д. Все перечисленные факторы определяют условия, в которых протекают процессы разрушения пород, формирование ствола скважины и керна, искривление скважин. Действительно, от прочности горной породы зависит, прежде всего, степень ее сопротивления внедрению породоразрушающего инструмента. Следовательно, чем выше прочность, тем меньший эффект будет достигнут при прочих равных условиях, и для его увеличения необходимо затратить больше энергии. Абразивность горных пород влияет на износ (притупление) рабочих элементов ПРИ. Чем выше показатель абразивности, тем быстрее происходит затупление, что приводит к увеличению площади контактной поверхности резцов, к снижению контактного напряжения и глубины внедрения резцов и соответственно к уменьшению механической скорости бурения.

Исследованиями установлена вполне определенная закономерность изменения vм в зависимости от величины износа резцов, характеризуемой изменением ширины притупления лезвия резца А. В режиме объемного разрушения породы скорость износа твердосплавных резцов vi (мм3/мин) в определенных условиях выражается уравнением вида

где vp — скорость резания (линейного перемещения резцов вдоль плоскости резания), мм/мин; р — контактное давление, МПа.

Отсюда видно, что превалирующее влияние на износ резцов оказывает скорость их перемещения vp, а не нагрузка, что важно при определении основных параметров режима бурения.

Техническими факторами, определяющими эффективность бурения скважин, являются конструкция (типоразмер) породоразрушающего инструмента, компоновка бурового снаряда, состояние забоя скважины — степень неровности забоя, наличие шлама, состояние стенок скважин и др.

Выбирается тот или иной ПРИ с учетом свойств разбуриваемых пород и в соответствии с его характеристикой.

К технологическим факторам относятся: параметры режима работы забойного инструмента, режим удаления продуктов разрушения из скважины, гидродинамическое воздействие потока промывочной жидкости на забой скважины, динамическое воздействие колонны труб и др. Влияние некоторых из них учитывается в приведенных выше зависимостях (7.11) и (7.12) и при определении параметров режимов бурения в конкретных условиях.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: