Вопрос №58. Каков механизм формирования винтообразных стволов скважины и керна?

В процессе бурения колонна бурильных труб в скважине деформируется с образованием спиральной формы упругого равновесия. В результате буровая компоновка получает прогиб, а инструмент располагается в скважине с некоторым перекосом. Перекос бурового инструмента приводит к неравномерности распределения контактных напряжений под торцом и может служить причиной неравномерного износа бурового инструмента.

Основными условиями формирования винтообразных ствола скважины и керна при бурении являются:

- наличие технологического зазора между стенкой скважины и буровой компоновкой;

- наличие поперечной силы, направленной от бурового инструмента в направлении стенки скважины.

Подобные условия при бурении возникают в случае достаточно резкого прогиба буровой компоновки, вызванного значительным повышением осевого усилия. В результате прогиба резко увеличивается поперечное дестабилизирующее усилие, вызванное неравномерным внедрением резцов в забой (рис. 4.21, а).

Свидетельством формирования некруглых форм поперечных сечений стволов скважин является винтовой керн. Винтовой керн чаще образуется при бурении твердосплавными резцовыми коронками как в режиме вращательного, так и ударно-вращательного бурения. При алмазном бурении винтовой керн образуется реже, а форма керна имеет более сглаженные плавные винтообразные формы.

При резком перекосе бурового инструмента его резцы заглубляются в породу на различную глубину, и как это уже было рассмотрено, центр его вращения смещается из геометрического центра торца – точки О в другую точку, например, А (рис. 4.22, а). В результате инструмент, проворачиваясь вокруг точки А, внедряется в стенку скважины резцом 3, а точка мгновенного центра вращения резко, в динамическом режиме, перемещается в точку В (рис. 4.22, б). Теперь уже резец 2 внедряется в стенку скважины, а смещение мгновенного центра вращения в направлении этого резца приведет к тому, что следующим резцом, который внедрится в стенку скважины, будет резец 1.

Таким образом, последовательно создавая углубления всеми резцами в стенке скважины, круглое поперечное сечение ствола преобразуется в четырех-угольное винтообразное. Такую форму получит ствол скважины, буримый, например, трехшарошечным долотом.

Вопрос №59. Причины возникновения колебаний бурового инструмента и их виды. Каковы режимы работы бурового инструмента и их влияние на процесс разрушения породы?

Крутильные колебания бурового инструмента сопровождаются скручиванием - раскручиванием бурильной колонны, что приводит к изменению угловой скорости вращения колонны вокруг геометрического центра поперечного сечения.

Таким образом, крутильные колебания приводят к неравномерному вращению бурового инструмента и, соответственно, к неравномерностям передачи на забой крутящего момента и усилия резания-скалывания породы.

Основными причинами возникновения колебаний бурового инструмента являются:

• несовершенство системы подачи буровых станков;

• наличие упругой и деформируемой бурильной колонны между буровым инструментом и буровым станком, которая имеет свою, чрезвычайно сложную, динамику;

• неравномерность резания-скалывания, дробления горной породы, чему способствует возможный перекос бурового инструмента на забое.

При уменьшении глубины внедрения резцов в породу снижается момент

Таблица 4.3

Классификация режимов работы алмазной коронки [7]

Режим работы бурильной колонны	Режим работы бурового инструмента
Ф12 – вращение колонны вокруг собственной оси и оси скважины			Равномерное вращение
			Крутильные колебания без остановок бурового инструмента
			Крутильные колебания с остановками бурового инструмента
Ф3 – режим качения колонны по стенке скважины (гипоциклическое движение)	R3		Режим качения бурового инструмента (гипоциклическое движение)

Из этих схем следует, что наиболее благоприятен для эффективного разрушения породы режим равномерного вращения (рис. 4.27, а). В режиме вращения происходит значительное колебание угловой скорости вращения коронки под влиянием крутильных колебаний. В режиме гипоциклического движения, реализуемого как качение бурового инструмента по стенке скважины в сторону обратную заданному вращателем станка , возможны остановки бурового инструмента и резкие ускорения, что крайне неблагоприятно влияет на ресурс бурового инструмента и, как уже рассмотрено выше, может приводить к формированию винтообразных ствола скважины и керна.

• Мультипликатор– устройство, устанавливаемое над буровым инструментом для повышения его частоты вращения при малой частоте вращения бурильной колонны.