20.1. Проектирование режимов бурения

Установление режимов бурения для проходки тех или иных пачек пород на основе данных о работе при­меняемых долот в этих пачках является наиболее точным, если при этом учтен опыт бурения на соседних площадях, а также результаты соответствующих теоретических и экспе­риментальных исследований.

По отдельным пачкам для турбобуров каждого типоразмера и определенных скоростей вращения ротора составляют таблицы количественных показателей работы долот и параметров режима бурения, зафиксированных при проходке этих пачек в соседних пробуренных скважинах. Результаты расчетов сводятся в таблицу, по данным которой выбирают режимы. Тем не менее, в большинстве практических ситуаций используется ряд методик проектирования режимов бурения, позволяющих получить весьма удовлетворительные по точности результаты.

20.1.1. Обоснование класса и типоразмеров породоразрушающих инструментов по интервалам бурения:

При выборе типов породоразрушающих инструментов (ПРИ) для бурения конкретных интервалов бурения необходимо использовать:

а) сведения в основном о механических свойствах горных пород (твердость, абразивность, пластичность, упругость и др.) разбуриваемых площадей;

б) данные о способе реализации вращательного способа бурения:

- роторное бурение;

- с использованием забойных двигателей;

в) предварительные сведения о возможном профиле и конструкции скважины;

г) информация о результатах и рекомендациях использования в данном регионе (если таковые существуют) различных типоразмеров и классов ПРИ (режуще-скалывающего действия - РСД, дробяще-скалывающего действия - ДСД, истирающе-режущего действия - ИРД и др.).

Рациональным типом долота данного размера для конкретных геолого-технических условий бурения является такой тип, который при бурении в рассматриваемых условиях обеспечивает оптимальные значения выбранного критерия:

- минимум эксплуатационных затрат на 1 м проходки;

- максимум проходки на ПРИ;

- максимум механической скорости бурения в интервале

и другие. Решение о выборе критерия принимается каждый раз конкретно, в зависимости от целевых установок Заказчиков, Инвесторов, уровня развития техники и технологи на данном предприятии. Наиболее глобальным критерием оптимальности выбора ПРИ является минимум эксплуатационных затрат на 1 м проходки.

20.1.2. Расчет осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент (долото):

При расчете осевой нагрузки на долото используют следующие методы:

1. Статистический анализ отработки долот в аналогичных геолого-технических условий.

2. Аналитический расчет на основе качественных показателей механических свойств горной породы и характеристик шарошечных долот, применении базовых зависимостей долговечности долота и механической скорости бурения от основных параметров бурения.

3. Расчет из условия допустимой нагрузки на долото.

Наиболее правильной считается последовательность, когда используются аналитический и статистический методы расчета осевой нагрузки. После расчетов большее из полученных значений сравнивается с допустимой нагрузкой по паспорту долота. Если расчетная нагрузка больше паспортного значения, то принимается последнее. При обратной ситуации – принимается расчетная величина.

Аналитический метод:

Расчет осевой нагрузки, исходя из объемного разрушения горной породы ПРИ, ведется по формуле:

Go1 = 0,1 Рш * F, (20.1.)

где:

F – опорная площадь рабочей поверхности ПРИ, см² - справочная величина;

Рш –твердость горных пород, МН\м² ,

Статистический метод:

Расчет осевой нагрузки ведется по формуле:

Gо2 = g * Dg, (20.2.)

где:

g – удельная нагрузка на один сантиметр долота, кг/см³;

Dg – диаметр долота, см.

Значения удельной нагрузки принимаются по данным, полученным на основании статистического анализа работы ПРИ в различных регионах – справочная величина.

Расчет осевой нагрузки допустимой по паспорту долота (ПРИ):

Расчет осевой нагрузки ведется из условия:

Gо3 < 0.8 * Gо доп., (20.3.)

где:

Gо доп. – допустимая осевая нагрузка на долото, кН – паспортная характеристика ПРИ.

3. Расчет частоты вращения долота (ПРИ):

Каждому классу пород соответствуют свои оптимальные частоты вращения долот, при которых разрушение горных пород максимально.

Расчет частоты вращения для шарошечного ПРИ (долота) производится из условий:

а) создания необходимой линейной скорости на периферийном венце шарошки;

б) по времени контакта зубьев долота с горной породой;

в) по стойкости опор.

Расчет частоты вращения для ПРИ РСД (лопастные и АТП долота) производится только из условий создания рекомендуемой линейной скорости на периметре ПРИ, имеющего определенный диаметр.

Расчет частоты вращения по статистически оптимальной линейной скорости на периферийном венце шарошки (или на периметре ПРИ диаметром Dд) ведется по формуле:

n1 = 60 * Vл / π * Dд , (20.4.)

где:

n1 – частота оборотов долота, с^-1;

Vл – рекомендуемая линейная скорость на периферийном венце шарошки (или на периметре ПРИ диаметром Dд), м/с; - справочная величина;

Dд – диаметр долота (ПРИ), м.

Расчет частоты вращения шарошечного долота (ПРИ), по времени контакта зуба долота с горной породой ведется по формуле:

n2 = 60 * dш / τк * z * Dд (20.5.)

где:

dш – диаметр шарошки, м ;

Dд – диаметр долота, м;

Отношение диаметра шарошки к диаметру долота равно примерно 0,65;

τк – минимальное время контакта зуба долота с горной породой, с; для упруго-пластичных пород τ_К = 6·10^-3 сек;, для пластичных пород - τ_К =3… 6·10^-3 сек; для упруго-хрупких пород τ_К = 6…8·10^-3 сек.

z – число зубьев.

Расчет частоты вращения по стойкости опор:

n3 = То / 0,02 ( а + 2) = 0,0935 * Dд / 0,02 * (а + 2) (20.6.)

где:

а – эмпирический коэффициент, характеризующий свойства горных пород.

Для пород типа М а = (0,7 – 0,9); пород С а = (0,5 – 0,7); пород Т а = (0,3 – 0,5).

Dд – диаметр долота, мм;

То – константа для данного долота, характеризующая стойкость опор.

После произведенных расчетов для шарошечного инструмента полученные значения анализируются исходя из следующей логики: выбранное значение частоты вращения не должно быть больше меньшего значения из n2 и n3. Для ПРИ РСД принимается значение n1.