4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕЖИМА ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ
И СРЕДСТВ ОЧИСТКИ СКВАЖИН
Высокие технико-экономические показатели работы долот и станков могут быть получены только при рациональных режимах бурения, которые являются действенным средством регулирования эффективности процесса бурения в соответствии с изменяющимися свойствами пород. Режим вращательного бурения принято характеризовать параметрами, которые машинист бурового станка (БС) может оперативно изменять в процессе проходки скважины: осевой нагрузкой на долото Р, скорость вращения долота ω; количество промывочной жидкости или сжатого воздуха F, подаваемых в скважину в единицу времени для выноса разрушенной породы (шлама) и охлаждения долота. При бурении режущими долотами (РД) кроме пневматической очистки могут применяться шнековый и комбинированный шнекопневматический способы удаления шлама. В первом случае процесс очистки оперативно регулируют изменением числа оборотов шнекового става, во втором – изменением параметров F и ω.
4.1. Теория и методы установления режима бурения
Теория проектирования целесообразных режимов бурения опирается на закономерности процессов разрушения горных пород и удаления продуктов их разрушения из скважины. Эти процессы тесно взаимосвязаны между собой.
Определение и поддержание оптимальных режимов бурения режущими долотами по сравнению с шарошечными является более сложной задачей. Это связано с более интенсивным изнашиванием РД и осложненными условиями эвакуации из скважины разрушенной породы из-за большой скорости ее образования и преобладанием в ее составе крупных фракций. При недостаточном количестве сжатого воздуха не все частицы разрушенной породы успевают подняться в кольцевое пространство, часть из них повторно перемалывается долотом и забой скважины может быть покрыт шламовым слоем, ухудшающим воздействие вооружения долота на материнскую породу. Наиболее рельефно фактор очистки скважин проявляется в глубоком бурении, где сказывается откруктивное (прижимающее) действие гидростатического давления промывочной жидкости на вынос шлама из забоя.
Основное влияние на процесс разрушения горных пород и уровень механической скорости бурения Vм оказывает величина осевой нагрузки долота Р. Л.А. Шрейнер, В.С. Федоров и другие исследователи выявили степенную зависимость Vм = φ(Р), общий вид которой применительно к ШД при совершенной очистке забоя представлен кривой, показанной на рис 4.1.
Рис. 4.1. Зависимость механической скорости бурения Vм от осевой нагрузки Р: 1 – совершенная очистка забоя; 2 – несовершенная очистка забоя; 3 – плохая очистка забоя; I, II и III – участки соответственно поверхностного, усталостного и объемного видов разрушения
Установлено, что эта закономерность справедлива при вращательном бурении всеми типами породоразрушающих инструментов. При этом Л.А. Шрейнер в зависимости от соотношения между удельным контактным давлением Руд и контактной (агрегатной) прочностью породы Рк предложил различать три вида механического разрушения породы: поверхностное (участок I), усталостное (участок II) и объемное (участок III). Кривая 2 относится к так называемому “нормальному” положению на забое скважины, когда зашламовывание там значительно ниже высоты породоразрушающих зубьев или лезвий. Чем больше шлама на забое, тем ниже к оси абсциссе опускается кривая. Так, кривая 3 соответствует бурению при неудовлетворительной очистки скважины, когда на забое имеется значительное количество буровой мелочи.
М.Г. Бингхэм [50] предложил вместо зависимости Vм = φ(Р) использовать для анализа промысловых данных зависимость Vм ⁄ n = φ (Р ⁄ d), т. е. зависимость углубления за один оборот долота от удельной осевой нагрузки. Он показал, что эта зависимость имеет ряд характерных особенностей, которые отражает график, изображенный на рис. 4.2.
h = Vп/n
0 Р1/d Руд= Р/d
Рис. 4.2. Зависимость углубления h за один оборот долота от удельной осевой нагрузки Руд = Р/d по М.Г. Бингхэму: 1 – область совершенной очистки; 2 – область несовершенной очистки; 3 – линия минимального углубления
При идеальной очистке забоя величина h зависит только от способности долота разрушать породу. Линия ОА характеризует эти идеальные условия (минимум затрат энергии на единицу объема разрушения). Она определяет максимально возможные значения h при данной Р в промышленных условиях (рабочая область). Такие результаты могут быть получены при очистке забоя скважины сжатым воздухом при достаточной величине параметра F.
При заданной скорости вращения увеличение нагрузки на долото приводит к росту механической скорости бурения.
В глубоком бурении чаще всего встречаются условия несовершенной очистки забоя (линии ВВ1 и СС1). Зона кривых очистки ограничена линией минимального углубления ОD. Под ней находится зона ограниченной очистки, в которую попадают все случаи, когда углубление долота больше не изменяется с увеличением осевой нагрузки (линии ЕЕ1 и FF1): долото полностью зашламовано или вращается без циркуляции подаваемого в скважину промывочного (продувочного) агента.
При увеличении прочности породы наклон линии ОА уменьшается, а отрезок О - Р1 ⁄ d, отсекаемый этой линией на оси удельных нагрузок, увеличивается. С помощью диаграммы Бингхэма можно определить, в какой степени условия работы долота (особенно очистки от бурового шлама) приближаются к оптимальным.
Большинство авторов, как среднюю, так и начальную механическую скорость бурения выражают функцией
(4.1)
где К, α, β – постоянные для данных условий величины.
В зависимости от условий бурения величины α и β могут изменяться в широких пределах (как правило, α ≥ 1и β ≤ 1).
В теории бурения опорное значение имеет S-образная кривая зависимости
Vм = φ(Р) (рис. 4.1, кривая 1), которая не может быть аппроксимирована формулой (4.1). Последняя не позволяет также определять границы различных видов разрушения пород.
Для описания процессов бурения неглубоких взрывных скважин с эффективной очисткой их сжатым воздухом В.Д. Буткин предложил другие математические модели с использованием в качестве основной физической характеристики эффективности разрушения породы так называемого силового градиента скорости бурения:
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
