Основные параметры режимов бурения скважин

Усилие подачи породоразрушающего инструмента. Исследованиями установлена сложная зависимость механической скорости бурения от усилия подачи или осевой нагрузки, общий вид которой для случая разрушения пород шарошечными долотами приводится на рис. 7.1. На кривой выделяются несколько участков, соответствующих различным формам и масштабам разрушения пород: поверхностному (участок AD) усталостно-объемному (участок ВС) и объемному (участок CE). Как видно из графика, в твердой породе поверхностное разрушение наступает при небольшом значении усилия подачи GА (точка А). Эффект разрушения — в данном случае механическая скорость — по мере роста усилия подачи растет линейно до некоторого значения (точка В). При дальнейшем увеличении G рост механической скорости становится более интенсивным (участок ВС). Этот интервал соответствует области усталостно-объемного разрушения породы. В точке С усилие подачи достигает такого значения, при котором контактные напряжения в породе превышают ее прочность, и наступает объемное разрушение при однократном действии породоразрушающих элементов. Возникающее в этот момент в породе напряжение называют критическим. Критическое напряжение соответствует либо пределу усталости (у пород, разрушающихся хрупко), либо пределу текучести. Таким образом, интервал CE соответствует объемному разрушению породы. Механическая скорость в этой области растет быстрее, чем осевая нагрузка, и почти прямолинейно (До точки D), достигая максимального значения в точке Е, вследствие увеличения глубины внедрения породоразрушающих элементов. Последующее увеличение G не приводит к росту механической скорости потому, что глубина внедрения породоразрушающих элементов ограничена их конструктивными особенностями и прочностью. Поэтому усилие подачи, соответствующее этому моменту (точка Е), названо предельным, так как дальнейшее повышение его не приводит к росту механической скорости бурения из-за увеличения контактной поверхности породоразрушающих элементов и скопления шлама, зажатого между торцом ПРИ и забоем. Кривая 2 на рис. 7.1 иллюстрирует случай бурения при наличии шлама на забое, вследствие чего общий уровень механической скорости оказывается заметно ниже. Рассмотренная зависимость механической скорости бурения от усилия подачи для шарошечных долот, по данным ряда авторов, является характерной и для других видов забойных инструментов, в частности, твердосплавных и алмазных.

Как видно из приведенных ранее зависимостей (7.10), (7.11) и (7.13) глубина внедрения резцов и механическая скорость бурения зависят, прежде всего, от уровня осевой нагрузки Gо или усилия подачи ПРИ, которое в установившемся режиме резания затрачивается на преодоление силы трения, возникающей на передней грани резца, и реакции породы на забое, действующей на торец резца. Учитывая большую сложность процесса разрушения породы в условиях забоя, приведенные зависимости раскрывают только Приблизительную и главным образом качественную сторону процесса. Конкретные решения применительно к определенным случаям находят опытным путем. Так, например, некоторыми исследователями предлагается при определении усилия подачи использовать выражение

где К — коэффициент, учитывающий влияние забойных условий на твердость горных пород для данного типа ПРИ; Рв.ш — твердость породы при вдавливании штампа, определяемая под действием статической нагрузки в лабораторных условиях; Sк — площадь контактной или опорной поверхности породоразрушающих элементов бурового инструмента данного типа в определенный момент времени.

Коэффициент, учитывающий влияние забойных условий на твердость пород, можно определить как в лабораторных условиях, так и в производственных. В лабораторных условиях используются два показателя — Kт, учитывающий влияние забойных условий на твердость горных пород (всестороннее сжатие за счет вертикального и бокового горного давления, пластового давления, гидростатического давления столба жидкости в скважине, температуры жидкости среды) и других факторов, связанных с глубиной залегания пород, и Кд, отражающий влияние импульсных нагрузок или динамической составляющей Pд осевой нагрузки, возникающей при вращении бурового инструмента за счет упругих деформаций бурильной колонны, кинематики движения породоразрушающего инструмента по неровной поверхности забоя и других факторов.

Показатель Kт определяется отношением твердости горной породы Pв.з, измеренной в специальной камере высокого давления, в которой имитируются забойные условия, к твердости Pв.ш, полученной при обычных условиях, т. е.

Коэффициент динамичности Kд определяется выражением

где Рд — динамическая составляющая осевой нагрузки; Gст — статическая составляющая общего усилия подачи, действующего на ПРИ.

Исследованиями установлено, что величина Pд зависит, главным образом, от твердости породы. Чем выше твердость пород, тем большее значение имеет динамическая составляющая усилия подачи. Так, по данным П. В. Балицкого, при бурении шарошечным долотом диаметром 168 мм в породах средней твердости с усилием подачи в 50—200 кН при работе на деформированном забое Kд = 1,03-1,30, а на недеформированном забое Kд = 1,15 + 2,02.

Коэффициент, учитывающий влияние забойных условий, определяется отношением показателя Kт к показателю Кд, т. е.

Определение коэффициента, учитывающего влияние забойных условий на эффективность разрушения породы, может быть осуществлено в реальных условиях. Для этого при бурении скважин производят хронометражные наблюдения за изменением механической скорости бурения при разных значениях усилия подачи. По этим данным строят график, на котором находят оптимальное значение G. Зная Pв.ш и Sк, коэффициент К можно определить, используя выражение (7.17). Очевидно, для разных типов пород, забойных инструментов и условий бурения значения этого коэффициента будут различны. Однако, имея их, можно решать задачи для других случаев аналогичных по условиям бурения.

Исследования показывают, что в реальных условиях величина коэффициента К обычно меньше единицы. Это объясняется ослаблением прочности горной породы на забое за счет образования зоны предразрушения (микротрещин и пластических деформаций). Так, по данным ряда авторов значения коэффициента К при бурении шарошечными долотами колеблются в пределах 0,49—6,97, а при бурении алмазными долотами К имеет значение порядка 0,8.

Вследствие того, что породоразрушающие элементы (резцы) обычной конструкции по мере работы изнашиваются, площадь контактной поверхности их увеличивается. Поэтому, очевидно, значение оптимального усилия подачи, определяемого выражением (7.17), по мере роста Sк должно также увеличиваться для сохранения максимальной скорости бурения. Отсюда же видно, что применение ПРИ, не меняющих площадь контактной поверхности по мере износа (например, цилиндрической формы), при достаточной глубине их внедрения является наиболее благоприятным.

Частота вращения ПРИ оказывает весьма существенное влияние на эффективность вращательного способа бурения, так как с этим фактором связана, с одной стороны, скорость перемещения породоразрушающих элементов, т. е. скорость резания и, следовательно, скорость продвижения забоя, а с другой стороны, с этим связана продолжительность контактов рабочих элементов ПРИ с породой и масштаб ее деформирования. Как установлено исследованиями, эти факторы в значительной степени определяют конечный результат силового воздействия на породу.

Из полученных при исследованиях данных следует, что для достижения разрушающего напряжения при внедрении штампа в пластичную породу (известняк) при скорости нагружения 25,2 м/с требуется 4*10в-4 с, а при внедрении в упруго-хрупкую породу (кварцит) при скорости нагружения 26,0 м/с это время составляет 2*10в-5 с, т. е. на порядок меньше. Следовательно, до того момента, пока время контакта породоразрушающих элементов с породой tк будет достаточно продолжительным, в породе будут развиваться процессы деформации до конца и при действии оптимальной нагрузки разрушение породы будет носить объемный характер. Как только время контакта окажется меньше значения, необходимого для полного объемного разрушения породы, что наступает при определенной скорости деформирования, процесс разрушения станет неполным и будет носить скорее усталостно-объемный характер. Эффект разрушения породы будет уменьшаться. Кроме того, с частотой вращения или скоростью перемещения рабочих элементов ПРИ тесно связана скорость их притупления и, следовательно, глубина внедрения, которая по мере износа уменьшается. С этим будет связано, в свою очередь, уменьшение механической скорости бурения во времени, которое наступит тем раньше, чем быстрее и в большей степени затупится ПРИ.

На рис. 7.2 приведены данные, иллюстрирующие связь глубины внедрения рабочих элементов и скорости разрушения пород при бурении твердосплавными коронками с разной частотой вращения и осевой нагрузке 1200 даН в породах Донбасса (по данным ИМР). Как видно, глубина внедрения резцов h0, различная при разных осевых нагрузках, начинает уменьшаться с некоторого значения n. В соответствии с этим темп роста механической скорости бурения, возрастающий до определенного значения частоты вращения, с какого-то момента падает. Из этих данных видно, что с увеличением частоты вращения инструмента глубина внедрения резцов более интенсивно снижается при бурении песчаников (кривые 1, 2). Соответственно механическая скорость бурения песчаников с ростом частоты вращения коронки увеличивается незначительно (кривая 3), особенно в интервале 200—400 об/мин. При бурении аргиллитов и алевролитов с усилием подачи 1200 даН наоборот глубина внедрения резцов снижается менее интенсивно (кривая 4) и механическая скорость растет практически прямо пропорционально частоте вращения (кривая 8). Однако при бурении этих же пород при больших значениях усилия подачи (1600— 2400 даН) темп снижения глубины внедрения резцов увеличивается (кривые 5, 6, 7), что приводит к заметному снижению прироста механической скорости, особенно в диапазоне частоты вращения 250—400 об/мин (кривые 9, 10, 11), что может быть связано с ухудшением условий работы коронки.

Таким образом, установлено, что зависимость механической скорости бурения от частоты вращения ПРИ имеет довольно сложный экстремальный характер, связанный с механическими свойствами пород и осевой нагрузкой. При этом отмечается одна общая закономерность, заключающаяся в том, что с увеличением частоты вращения до определенного значения механическая скорость бурения растет почти прямопропорционально и тем более интенсивно, чем меньше твердость породы. При некоторых же значениях частоты вращения интенсивность роста скорости бурения начинает снижаться, а затем, достигнув максимума, быстро падает. Частота вращения, соответствующая этому моменту, называется критической.

Величина критической частоты вращения тем больше, чем мягче порода и чем выше осевая нагрузка. Учитывая, что максимум скорости бурения не имеет резких пиков и тем более растянут, чем крепче порода, при подборе оптимального значения частоты вращения для конкретных условий следует останавливаться не на ее критической величине, а на некотором рациональном значении, соответствующем моменту перехода кривых. Многочисленные данные свидетельствуют о том, что максимум механической скорости в большинстве случаев практически достигается при довольно больших значениях частоты вращения, особенно при бурении в сравнительно мягких породах или при недостаточных контактных давлениях (рис. 7.3).

Для пород более твердых упруго-хрупких (мрамор, гранит) механическая скорость имеет линейную зависимость, а для упруго-пластичных (известняк, мел) наблюдается степенная зависимость. Такой вид зависимостей связан с тем, что при бурении с осевой нагрузкой, не обеспечивающей превышение контактных давлений над пределом прочности пород, разрушение носит поверхностный характер, и скорость бурения растет с ростом частоты вращения инструмента линейно за счет увеличения объема разрушаемой породы в единицу времени. Если уровень осевой нагрузки обеспечивает объемное разрушение породы и оно остается постоянным по мере увеличения скорости перемещения резцов по забою, масштабы разрушения могут уменьшаться за счет уменьшения времени контакта резцов с породой. Глубина распространения деформаций при более коротком промежутке времени контакта резца с породой уменьшается. В связи с этим темп роста механической скорости снижается.

Нелинейная зависимость механической скорости бурения наблюдается и при разрушении упруго-хрупких пород в условиях объемного сжатия за счет роста способности пород к пластическим деформациям. Так, для достижения разрушающих напряжений у пластических пород требуется больше времени, а оно с увеличением частоты вращения уменьшается, то объем разрушаемой породы с увеличением частоты вращения инструмента также может уменьшаться. Поэтому для того, чтобы при увеличении частоты вращения породоразрушающего инструмента сохранить масштабы объемного разрушения пород, необходимо одновременно увеличивать осевую нагрузку.

Таким образом, оптимальные значения частоты вращения для разных горных пород различны также, как и для разных величин осевой нагрузки. При бурении в твердых породах она существенно зависит и от конструкции породоразрушающего инструмента. Так, например, установлено, что при бурении алмазными коронками прямо пропорциональная зависимость между частотой вращения и скоростью углубки сохраняется при увеличении n до 5000 об/мин. Это объясняется тем, что процесс разрушения породы мелкоалмазными коронками носит в основном поверхностный, а не объемный характер.

Необходимое (оптимальное) значение окружности вращения коронки, определяющей скорость резания vp, может быть достигнуто двумя способами — увеличением либо диаметра коронки Dср, либо частоты вращения п. Это видно из выражения (7.14). Ho увеличение диаметра при постоянной скорости резания приведет к снижению vм, как следует из выражения (7.15). Более рационально решать эту задачу за счет частоты вращения при минимальном диаметре ПРИ.

Для определения частоты вращения коронки, исходя из принимаемой рациональной окружной скорости вращения, пользуются выражением

где n — частота вращения коронки, об/мин; w — окружная скорость вращения коронки, м/с; Dн, Dв — наружный и внутренний диаметры коронки, м.

Износ породоразрушающих элементов. При разрушении породы происходит затупление породоразрушающих элементов вследствие их механического износа. С этим связано увеличение контактной площади у породоразрушающих элементов и соответственно снижение контактных напряжений, глубины внедрения резцов и механической скорости бурения, как это показано на рис. 7.4. Учитывая, что контактная площадь изменяется постепенно от минимального значения в начале бурения до максимума в конце, измерять целесообразно именно эти величины, что позволяет вычислить начальное и конечное значения оптимального усилия подачи для того или иного забойного инструмента.

Интенсивность и скорость затупления породообразующих элементов при вращательном бурении скважин зависят от целого ряда факторов и, прежде всего, от абразивных свойств пород, частоты вращения забойного инструмента, усилия подачи и наличия шлама на забое. Чем больше значения всех этих факторов, тем быстрее затупляется ПРИ. Причем, абразивность пород, усилие подачи и шлам влияют на относительный износ инструментов (на единицу пройденного пути породоразрушающими элементами), а частота вращения — на абсолютный линейный износ в зависимости от времени работы ПРИ. Очевидно, чем больше степень влияния первой группы факторов, тем интенсивней будет износ породоразрушающих элементов на единицу пройденного пути, а чем больше частота вращения бурового инструмента, тем больше будет износ в единицу времени.

Учитывая, что с износом породоразрушающих элементов связана не только скорость бурения, но и величина углубки на ПРИ за рейс, этот показатель оказывает большое влияние на техническую скорость бурения скважин, в особенности при их значительной глубине, когда время на СПО инструмента имеет большой удельный вес в балансе затрат времени на бурение скважин в целом. Поэтому очень важно наряду с повышением износостойкости породоразрушающих элементов, за счет улучшения их качества и конструкции, подбирать технологические параметры режимов бурения с учетом влияния всех факторов на эффективность разрушения пород и рейсовую скорость. Одна из таких возможностей заключается в рациональном подборе, прежде всего, тех параметров, которые легко регулируются, например интенсивность очистки забоя скважин от продуктов разрушения, а также тех, которые не только увеличивают износ, но и повышают эффективность разрушения породы до критических значений, в частности, частота вращения ПРИ и усилие подачи. Этим можно существенно увеличить время полезной работы породоразрушающих элементов и углубку на ПРИ.

Интенсивность очистки забоя скважины от продуктов разрушения. Разрушение породы на забое скважины сопровождается накоплением шлама — частиц горной породы и материала, из которого изготовлен породоразрушающий инструмент. Естественно, что наличие на забое шлама, являющегося абразивным материалом, при вращении инструмента приводит не только к расходу дополнительной энергии на его измельчение, но и к более интенсивному абразивному износу породразрушающих элементов, и, следовательно, к полному прекращению объемного разрушения породы.

При вращательном колонковом бурении удаление продуктов разрушения из скважин осуществляется, как правило, промывкой и реже продувкой. Интенсивность очистки забоя от продуктов разрушения при этом зависит главным образом от количества подаваемой к забою жидкости или воздуха, а также от скорости движения восходящего потока. Исследованиями установлено, что с повышением интенсивности промывки до некоторого критического значения, механическая скорость бурения существенно увеличивается.

Определенное влияние на работоспособность забойных инструментов оказывает качество применяемого очистного агента (среды). Исследованиями Н.Д. Михайловой установлено влияние качества очистного агента на износ коронок. Наиболее благоприятные условия наблюдаются при использовании воздуха, несколько худшие — при использовании воды и дизельного топлива и самые плохие — при использовании глинистого раствора. Это связано с износом резцов твердых сплавов и с действием гидростатического давления столба жидкости. То и другое наиболее отрицательно проявляется при использовании глинистых растворов.