§ 3. Куримость горных пород

Основным показателем эффективности процесса бурения скважин, как было показано ранее, является механическая скорость бурения, которая зависит от комплексного показателя — буримости горных пород.

Буримость характеризует способность горной породы разрушаться в определенных условиях при воздействии ПРИ. Оценивается этот показатель скоростью продвижения забоя скважины за время чистого бурения — эффективного воздействия ПРИ на породу. Зависит буримость от многочисленных факторов: свойств самих пород, способа разрушения, конструкции ПРИ и режима его воздействия на породу. В практике работ буримость характеризуется механической скоростью бурения v_M (м/ч). По мере совершенствования породоразрушающих инструментов, режимов бурения и буровой техники этот показатель растет. Значение этого показателя велико, так как он является основой определения норм выработки и оценки степени их выполнения.

В связи со сложностью объективного определения этого показателя, до сих пор не разработана научно обоснованная классификация горных пород по буримости. Обычно ведомства и организации устанавливают свои, так называемые временные показатели, утверждают их и используют в практике. Такое положение дел приводит к тому, что нормы выработки в одних и тех же условиях, но в разных ведомствах могут оказаться разными, также как и подход к оценке выполнения установленных норм. Пока еще в этом много субъективного.

За основу составления известных классификаций обычно берут показатели буримости горных пород, полученные при статистической обработке производственных данных по механической скорости бурения.

Классификации разрабатывают для различных способов бурения, применительно к разным типам станков и породоразрушающих инструментов. В литературе обычно приводят классификации в сокращенном виде и с устаревшими данными по буримости, поэтому они могут быть использованы только для общей ориентировки.

Отнесение пород к той или иной группе только по их названию или петрографическим признакам, а тем более только по генезису, не может быть объективным, что создает определенные трудности б планировании и оценке технико-экономических показателей бурения скважин. В связи с этим на производстве прибегают к составлению эталонных коллекций пород и определению их фактической буримости путем хронометражных наблюдений. Делаются попытки решить эту проблему с привлечением более объективных методов оценки пород с точки зрения их буримости, в частности, разработанных в ЦНИГРИ и ВИТРом.

§ 4. Общие закономерности в процессах бурення скважин и факторы их определяющие

Разрушение породы на забое скважины при механических способах бурения происходит за счет действия сил, вызывающих деформацию определенного вида: смятие, раздавливание, уплотнение, резание, скалывание, дробление и т. д. Естественно, что при этом порода оказывает определенное сопротивление и тем большее, чем она прочнее, чем менее совершенными являются способ воздействия на нее и конструкция ПРИ, чем неблагоприятнее условия внедрения породоразрушающих элементов. Управляемыми в этом процессе являются главным образом способ воздействия, конструкция и качество ПРИ, а также режимы его работы. Обоснованный выбор и совершенствование этих факторов применительно к характеру разрушаемой породы позволяет повышать эффективность процесса бурения скважин. С другой стороны, существует возможность уменьшать сопротивление горных пород разрушению, в частности, путем понижения их твердости химическими или физическими средствами.

Способ воздействия породоразрушающим органом определяет характер действующих сил (нагрузок), которые могут быть в общем случае статическими, динамическими или комбинированными. В соответствии с этим выделяются основные способы механического разрушения пород — вращательный, ударный, вращательно-ударный, ударно-вращательный, вибрационный, виброударный и др. Каждый из них является наиболее эффективным только в определенных условиях.

Эффективность разрушения горных пород зависит в значительной степени от энергоемкости процесса разрушения и соответственно от количества подводимой энергии, от работоспособности применяемых ПРИ и, наконец, от характеристики среды, в которой происходит разрушение породы (вода или воздух, температура, давление). Количество энергии, затрачиваемой на разрушение породы, в свою очередь, зависит от режима работы ПРИ — усилия подачи или осевой нагрузки, скорости вращения инструмента или частоты вращения и шламового режима. Все эти параметры тесно связаны между собой, поэтому эффективность действия каждого из них будет определяться значением других.

Исследованиями установлено, что при вращательном бурении скважин со свободной подачей и достаточно полной очисткой забоя от шлама, механическая скорость бурения в общем виде выражается функциональной зависимостью от ряда величин:

(7.8)

V’M — f ip, K_n, A, G₀, Vp, n, Q),

где а— сопротивление породы разрушению; К_п — коэффициент пластичности породы; А — показатель абразивности породы; С₀ — осевая нагрузка; v_p —скорость резания — перемещения резцов по забою; /I —частота вращения породоразрушающего инструмента; Q — интенсивность очистки забоя от продуктов разрушения.

Эта функциональная зависимость в явном виде может иметь частные значения для каждого типоразмера ПРИ. Так, при разрушении пород резцами из твердых сплавов

= Khytnn, (7.9)

где /С—коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров резцов и некоторых свойств пород; /г_у — толщина срезаёмого каждым резцом слоя породы при установившемся режиме резания; т — количество резцов в ПРИ; и —частота вращения ПРИ.

Для определения глубины внедрения резца в зависимости от действующих сил в установившемся режиме резания предложен ряд формул. В частности, проф. В. С. Владиславлевым получена аналитическим путем формула вида

(7.10)

где С₀ — осевая нагрузка; о — сопротивление породы разрушению; b — длина режущей кромки (лезвия) резца;/ — коэффициент трения о породу; /^ — коэффициент, характеризующий положение точки приложения силы резания; Д —ширина площадки притупления.

В этом выражении не учитывается ряд факторов, например угол резания и скорость движения резца (скорость резания).

В результате исследований, проведенных на кафедре техники разведки в Томском политехническом институте, получена формула, которая более полно учитывает факторы, влияющие на толщину снимаемого слоя породы при вращении коронки, оснащенной резцами:

(7.11)

A_y = (G₀ - NiM)/ lab (f - ctg/S) 1,

гдeN_t — сопротивление породы при внедрении резца под действием двух сил G₀ и F_p в установившемся режиме его работы; о — контактное напряжение (под торцом резца); Р — угол резания. Исследованиями также установлена зависимость

(7.12)

Ni = Noe^Kvp,

где N₀ — сопротивление породы перемещению резца под действием

сил G₀ и F_p с начальной скоростью резания i>₀; с —основание натурального логарифма; К—коэффициент пропорциональности; v_p — скорость резания. Для условий экспериментирования было установлено, что N₀ а 0,25 Н_в, где Я„ — твердость пород на вдавливание цилиндрического штампа. Тогда, пользуясь выражением (7.11), можно записать:

v_M = (Go - Noe^Kv*Ab)mn/\ob(f - ctg Д,) ]. (7.13)

Или, выразив it через окружную скорость вращения коронки и) (скорость резания v_p) и диаметр коронки D^, пользуясь выражением

ш-лйсрп (7.14)

и, подставив его значение в выражение (7.13), будем иметь i’m = G₀-NQe^KvpAb) mvp/nDcppb (f - ctg8</_p). (7.15)

Отсюда видно, что мгновенная механическая скорость бурения зависит от усилия подачи, частоты вращения или скорости резания, количества резцов и их параметров, диаметра, коронки, величины коэффициента трения и твердости породы, а также от угла резания. Таким образом, эффективность разрушения или буримость горных пород при вращательном способе бурения зависит от природных условий (свойств пород), а также от технологических и технических факторов, между которыми существует достаточно тесная корреляционная связь.

К природным условиям относятся прежде всего физико-геологические и физико-технические свойства горных пород, основными из которых являются: твердость, упругость, хрупкость, пластичность, абразивность и устойчивость пород. Этими и другими свойствами определяются сопротивление горных пород разрушению, износ породоразрушающего инструмента, горное давление (вертикальное и боковое), пластовое давление, поведение пород при взаимодействии с водой и т. д. Все перечисленные факторы определяют условия, в которых протекают процессы разрушения пород, формирование ствола скважины и керна, искривление скважин. Действительно, от прочности горной породы зависит, прежде всего, степень ее сопротивления внедрению породоразрушающего инструмента. Следовательно, чем выше прочность, тем меньший эффект будет достигнут при прочих равных условиях, и для его увеличения необходимо затратить больше энергии. Абразивность горных пород влияет на износ (притупление) рабочих элементов ПРИ. Чем выше показатель абразивности, тем быстрее происходит затупление, что приводит к увеличению площади контактной поверхности резцов, к снижению контактного напряжения и глубины внедрения резцов и соответственно к уменьшению механической скорости бурения.

Исследованиями установлена вполне определенная закономерность изменения v_M в зависимости от величины износа резцов, характеризуемой изменением ширины притупления лезвия резца А. В режиме объемного разрушения породы скорость износа твердосплавных резцов v, (мм³/мин) в определенных условиях выражается уравнением вида

v/ = 2,38-10"⁴-#*-/>^m, (7.16)

где v_p — скорость резания (линейного перемещения резцов вдоль плоскости резания), мм/мин; р — контактное давление, МПа.

Отсюда видно, что превалирующее влияние на износ резцов оказывает скорость их перемещения v_p, а не нагрузка, что важно при определении основных параметров режима бурения.

Техническими факторами, определяющими эффективность бурения скважин, являются конструкция (типоразмер) породоразрушающего инструмента, компоновка бурового снаряда, состояние забоя скважины — степень неровности забоя, наличие шлама, состояние стенок скважин и др.

Выбирается тот или иной ПРИ с учетом свойств разбуриваемых пород и в соответствии с его характеристикой.

К технологическим факторам относятся: параметры режима работы забойного инструмента, режим удаления продуктов разрушения из скважины, гидродинамическое воздействие потока промывочной жидкости на забой скважины, динамическое воздействие колонны труб и др. Влияние некоторых из них учитывается в приведенных выше зависимостях (7.11) и (7.12) и при определении параметров режимов бурения в конкретных условиях.