Механическую скорость

Необходимость увеличения механической скорости бурения очевидна. Согласно оценкам, проведенным специалистами Башкирской буровой школы, возрастание V _мех  в два раза снижает стоимость 1 м проходки на 50 %, увеличение же стойкости долота снижает стоимость 1 м проходки только на 11 %.

Каждый параметр режима бурения (F, n, Q) влияет на эффективность разрушения горных пород по-своему, причем влияние изменения одного из параметров на изменение механической скорости зависит от фиксированной величины других параметров. То или иное значение механической скорости бурения V _мех зависит не только от эффективности разрушения горных пород на забое скважины (это лишь одно из условий роста механической скорости), но и от совершенства очистки забоя от шлама, эффективности выноса шлама на поверхность.

8.2.1. Влияние осевого усилия. При механическом способе разру-шения горных пород основная доля энергии расходуется на внедрение породоразрушающих элементов вооружения в горную породу. Величина давления, создаваемого породоразрушающим инструментом на забое скважины, определяется не только величиной осевого усилия F, но и значением контактной площади S_к данного долота. Под контактной площадью понимается сумма площадей всех зубьев на всех шарошках, контактирующих в данный момент с горной породой забоя скважины (для шарошечных долот), сумма площадей торцовой поверхности лопастей (для лопастных долот). Величина контактной площади всех долот (шарошечных, лопастных, алмазных) табулирована, т.е. известна.

При увеличении контактного давления P_к = F / S_к , линейно зависящего от осевого усилия, разрушение на забое происходит по-разному. Рассмотрим три возможных случая:

а) Р_к > Н. В этом случае в горной породе, находящейся под пятном контакта, возникает объемное разрушение. Оно характеризуется тем, что возникает при единичном взаимодействии породоразрушающего элемента долота с данной “точкой” поверхности горной породы. Возникающие частицы шлама в этом случае имеют максимальный размер. Разрушение горной породы, происходящее при выполнении приведенного условия, является наиболее эффективным.

Из условия обеспечения объёмного разрушения горной породы величина осевой нагрузки на шарошечное долото рассчитывается по формуле

F = aHS_к,

где a = (0,33¸1,59) – коэффициент, учитывающий реальные условия разрушения горной породы в скважине (величину дифференциального давления, температуру горных пород, состояние забоя и пр.), S_к – контактная площадь данного долота. Величина a определяется по промысловым данным.

Зная твердость горных пород и контактную площадь используемого долота, можно определить осевую нагрузку, требуемую для бурения скважины данным шарошечным долотом. Нужно помнить, что по указанной формуле можно определить лишь ориентировочное значение требуемого для разрушения горной породы осевого усилия, т.к. формула не учитывает работоспособность опор долота.

Наблюдающийся экстремальный характер изменения V _мех от F связывают с ограничением высоты зубцов на шарошках, наличием шлама на забое. Осевая нагрузка, при которой достигается максимальное значение механической скорости, называется критической.

Следует иметь в виду следующее: при чрезмерном увеличении осевого усилия бурильная колонна теряет устойчивость и претерпевает продольный изгиб, что приводит к незапланированному искривлению скважины.

б) Р_к < Н. При такой величине контактного давления возникает усталостно-объемное разрушение горной породы. Непременным следствием установления подобного соотношения между величиной контактного давления и твердостью горной породы является возникновение разрушения при неоднократном действие породоразрушающего элемента вооружения долота на одну и ту же точку забоя. Разрушение при этом связывают с повреждаемостью породы забоя, развитием трещин в горной породе под пятном контакта при каждом ударном цикле нагряжения. Вид лунки выкола такой же, какой возникает при объёмном разрушении.

Количество циклов нагружения n, необходимое для разрушения горных пород, зависит от их механических свойств горной породы: с увеличением хрупкости пород величина n меньше. Зависимость между величиной контактного давления P_к и количеством циклов нагружения n , необходимых для разрушения породы, имеет вид (рис. 37). Эта усталостная кривая описывается уравнением

Р_к^mn = С,

где m – показатель степени, С = const – постоянная усталостной кривой.

Чем больше P_к, тем меньше необходимо создать циклов нагруже-ния для разрушения горной породы.

Минимальное контактное давление, вызывающее усталостное раз-рушение при циклическом нагружении при выполнении условия Р_к < Н, называется пределом усталости горной породы Р_ус. Считаетcя, что

Р_ус = (1/20 ÷ 1/30)H.

Жлобинским Б.А. установлено, что механизм усталостно-объём-ного разрушения горных пород похож на механизм разрушения хрупких горных пород при статическом вдавливании индентора. Лунка выкола возникает вследствие раздробления горной породы под пятном кон-такта, передачи давления от индентора на окружающую породу и возникновения вокруг пятна контакта овальной (если индентор имеет прямоугольную площадку вдавливания) или круглой (при цилиндрическом инденторе) трещины, последняя стадия разрушения связана с раздавливанием уплотненного ядра под индентором и образованием лунки.

в) Р_к << Н. Это условие определяет поверхностное разрушение горной породы в результате истирающего действия инструмента. Скорость бурения при выполнении этого неравенства незначительна. Размер частиц шлама мал.

Зависимость механической скорости бурения от величины осевого усилия F (контактного давления Р_к) при фиксированной скорости вращения имеет вид (рис. 38).

Представленное на рис. 38 изменение механической скорости бурения от величины осевого усилия указывает на различный механизм разрушения горных пород в трех областях изменения F (или Р_к). При малых нагрузках (участок I) зависимость V _мех = f ( F ) линейная: прямая выходит из начала координат. Угол наклона прямой к оси F характеризует интенсивность изменения механической скорости при росте осевого усилия. Касательная к кривой, проведенная на участке II, свидетельствует о том, что в этом диапазоне изменения осевого усилия прирост механической скорости больше, чем на первом участке (касательная отсекает от оси F положительный отрезок). На участке III угол наклона касательной меньше, чем на участке II, что свидетельствует о том, что на третьем участке изменение V _мех при росте F меньше, чем на втором участке (касательная отсекает от оси F отрезок, расположенный левее начала координат).

Часто зависимость V _мех = f ( F ) представляют в виде степенной зависимости

V_мех = кF^a.

При a = 1 из этого выражения получаем связь между V _мех  и F для участка I, при а > 1 – для второго, а < 1 – для третьего участка. 

При бурении скважины выбранное значение осевого усилия может обеспечить появление любого из приведенных участков. Рекомендация увеличивать величину осевого усилия F для реализации объемного разрушения не всегда оправдана, т.к., во-первых, часто при больших усилиях начинается интенсивный износ долота, увеличивающий контактную площадь долота, и приводящий к снижению V _мех, во-вторых, бурение при меньщих осевых нагрузках, сопровождаемое снижением механической скорости, часто приводит к достижению положительного результата, например, росту проходки на долото, росту рейсовой и коммерческой скорости, снижению себестоимости метра проходки. Cледует иметь в виду, что увеличение осевого усилия приводит к росту интенсивности искривления скважины, это связано с возрастанием отклоняющей силы при увеличении прогиба КНБК, большим разрушением стенки скважины.

Зашламование забоя существенно изменяет зависимость V _мех = f ( F ), так как происходит не только снижение V _мех , но и уменьшение величины осевого усилия, при котором достигается наибольшее значение механической скорости.

Приведенное на рис. 38 изменение механической скорости отличает не только бурение скважин шарошечным, но и лопастным долотом.

Выбор параметра режима бурения – осевой нагрузки на долото – по диаграмме V _мех = f ( F ) не гарантирует от ошибок.

В настоящее время при бурении чаще всего реализуется поверхностное (при турбинном бурении) и усталостно-объемное разрушение горных пород. Связано это, в основном, с тем, что материал, из которого изготавливается породоразрушающий инструмент, меньше изнашивается при реализации усталостно-объёмного разрушения.

Контроль за величиной F при бурении скважины реализуется с помощью индикаторов веса гидравлических (ГИВ), электрических (ЭИВ), которые устанавливаются на неподвижном конце талевого каната.

8.2.2. Влияние частоты вращения долота. Общий вид зависимости V _м = f ( n ) хорошо известен из работ В.С.Федорова (рис.39). На кривой выделяются два линейных участка: начальный и конечный. На этих участках V_м  изменяется пропорционально n, что свидетельствует о постоянстве проходки за оборот d.

Основными факторами, определяющими вид кривой V_м  = f ( n ), являются следующие:

• время контакта t _к зуба шарошечного долота с горной породой,

• число поражений забоя зубьями долота.

С увеличением частоты вращения n возрастает число поражений забоя зубьями шарошечного долота, возрастает скорость и энергия соударения. Это обеспечивает рост механической скорости бурения. Но одновременно с этим увеличение n обеспечивает и снижение времени контакта t _к , что снижает эффективность разрушения горных пород и, как следствие, механическую скорость. В результате действия указанных факторов при бурении возникает сложная зависимость V _м = f ( n ).

На участке кривой V_м = f(n), расположенном между начальным и конечным линейными участками, изменение механической скорости, происходящее при постоянной осевой нагрузке, но росте частоты вращения, характеризуется снижением темпа прироста механической скорости. При определенной частоте вращения n_кр наблюдается резкое снижение темпа прироста механической скорости. Это происходит вследствие резкого уменьшения глубины внедрения зуба долота в горную породу за один оборот, снижения времени контакта зуба долота с забоем скважины. Для мрамора, например, n_кр = 100 мин^-1. С ростом твердости горной породы n_кр возрастает.

Энергоемкость разрушения возрастает. По этой причине бурение скважины с частотой вращения n > n_кр нерационально. При данном значении осевого усилия увеличение n долота с целью повышения механической скорости целесообразно лишь до тех пор, пока возрастает рейсовая скорость бурения. 

Обладая технологической информативностью, зависимость                V_м = f(n), тем не менее, не может быть гарантом выбора рекомендуемого значения частоты вращения n. Тому есть причина: отсутствие приборов, надежно контролирующих частоту вращения. В роторном бурении частота вращения долота равна частоте вращения ротора и может быть измерена тахометром достаточно точно. Для измерения частоты вращения долота в турбинном бурении используется турботахометр, датчик которого устанавливается в верхнем узле турбобура и соединяется с валом последнего. Работа турботахометра основана на фиксации специальной аппаратурой, устанавливаемой на вертлюге, импульса давления, формируемого при кратковременном перекрытии трубного пространства через каждые 10 оборотов вала турбобура. Каналом связи служит промывочная жидкость, находящаяся внутри бурильной трубы. Особенностью гидравлического канала связи является существенное затухание энергии сигнала в связи с потерями на трение у стенок колонны и наличие помех, создаваемых работающим буровым насосом.      

С увеличением глубины скважины в большей степени проявляются пластические свойства горных пород, требуются большие деформации до разрушения и большая длительность контакта зубьев долота с забоем. Это вызывает необходимость снижения частоты вращения долота с углублением скважины. Существует и другая причина, по которой необходимо снижать величину n при росте глубины скважины. Значительный рост мощности, необходимой для привода ротора из-за роста потерь на трение бурильной колонны о стенку скважины.

Частота вращения инструмента оказывает существенное влияние на качественный отбор керна.

8.2.3. Влияние интенсивности промывки забоя скважины. Циркуляция промывочной жидкости при бурении скважины должна обеспечить очистку забоя от частиц разрушенной горной породы, предотвратить вторичное перемалывание этих частиц. Именно по этой причине проектирование режима очистки забоя скважины промывочной жидкостью является составной частью проектирования параметров режима бурения.

С возрастанием расхода Q улучшается очистка забоя, следовательно, повышается эффективность работы долота. Но в то же время увеличиваются потери давления в кольцевом пространстве пропорционально Q ². Это приводит к росту гидродинамического давления на забой, создаются неблагоприятные условия для отрыва шлама от поверхности забоя, снижается механическая скорость бурения. Другими словами, отрицательным последствием интенсификации промывки скважины может стать увеличение дифференциального давления на забое скважины и, как следствие, ухудшение условий разрушения горной породы.

 Отмеченное двоякое влияние производительности циркуляции промывочной жидкости на скорость бурения отражено формулой, предложенной В.С. Федоровым:

V_м = Q /(a + bQ),

где a, b – параметры, зависящие от свойств разбуриваемых горных пород, промывочной жидкости, размеров кольцевого канала (рис. 40).

Для улучшения очистки забоя скважины следует стремиться не к бесконечному увеличению производительности циркуляции, а добиваться этого использованием насадков уменьшенных диаметров, приближенных к забою, созданием радиальных турбулентных потоков промывочной жидкости вдоль поверхности забоя, обеспечивающих отрыв частиц шлама от забоя, введением в промывочную жидкость смазывающих добавок, снижающих величину сил, удерживающих частицы шлама на забое и пр.

Согласно исследованиям отечественных ученых, удельный расход промывочной жидкости, подаваемой на забой скважины, для шарошечных и лопастных долот должен составлять (0,057 ÷ 0,065) л/(с·см²), и для алмазных – (0,06 ÷ 0,1) л/(с·см²).

Особо подчеркнем, что увеличение механической скорости бурения применением гидромониторных насадков обеспечивается не дополнительным разрушением горной породы забоя высоконапорными затопленными струями промывочной жидкости, а улучшением очистки забоя от шлама при использовании гидромониторных насадков. Для успешного механогидравлического воздействия на горную породу забоя скважины и разрушения горной породы струей жидкости, вытекающей из насадков, необходимо значительно увеличить скорость истечения затопленной струи из насадков (довести скорость истечения струи до нескольких сотен метров в секунду), воздействовать струей на ту часть площади забоя, на которую воздействует зуб долота. 

При бурении мягких горных пород повышение расхода промывочной жидкости приводит к размыву стенки скважины, что может обеспечить рост интенсивности искривления скважины. Введение в промывочную жидкость смазывающих добавок снижает трение инструмента о горную породу стенки скважины, что способствует меньшему ее разрушению и обеспечивает меньшее искривление скважины.  

Завершая разговор о влиянии расхода промывочной жидкости на величину механической скорости, отметим, что практика бурения скважин с высокими механическими скоростями (свыше 10 – 15 м/ч) в Западной Сибири обнаружила влияние “утяжеления” восходящего потока промывочной жидкости с увеличением концентрации шлама в ней на величину механической скорости. Это позволяет ставить задачу оптимизации расхода промывочной жидкости с целью минимизации гидродинамического давления на забой скважины.

Измерение расхода промывочной жидкости осуществляется индукционными расходомерами РГР-7, РГР-100, принцип действия которых основан на явлении электромагнитной индукции и обеспечивает контроль расхода только электропроводящей промывочной жидкости.