лонны бурильных труб время может быть существенно уменьшено, если вместо двух элеваторов применять три. Время на наращивание может быть сокращено на 30 %.

Спуск колонны обсадных труб в скважину аналогичен описанному выше спуску колонны бурильных труб (свечей).

8.5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ БУРЕНИЯ

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

По отдельным пачкам для турбобуров каждого типоразме­ ра и определенных скоростей вращения ротора составляют таблицы количественных показателей работы долот и пара­ метров режима бурения, зафиксированных при проходке этих пачек в соседних пробуренных скважинах. Результаты расчетов сводятся в таблицу, по данным которой выбирают режимы.

Проектирование режимов бурения аналитическим методом (по В.С. Федорову и В.Г. Беликову)

Для проектирования режимов бурения рас­ четным путем необходимо знать твердость рф разбуриваемых пород в условиях забоя, предел текучести р0ф пород в этих условиях и другие свойства пород (критическое напряжение о, абразивность, пластичность и т.д.). Аналитический метод проектирования режимов бурения может быть использован в том случае, если нет промысловых статистических данных о работе долот на данной площади или в данном интервале, а также если нужно уточнить параметры режима бурения, вы­ бираемые на основе промысловых статистических данных, АЛЯ выявления потенциальных возможностей технической оснащенности буровых установок и т.д.

Определение осевой нагрузки на долото. Минимальную осевую нагрузку на долото (в кН), при которой объемное разрушение породы имеет преобладающее значение, можно определить следующим образом:

а) для упругохрупких и упрутопластичных пород

б) для пород, не дающих хрупкого разрушения, т.е. для

где F, — опорная площадь рабочей поверхности долота, см2; Рф И Роф - В МН/м2.

Максимальную осевую нагрузку (кН) на шарошечное доло­ то, при которой поверхностное разрушение упругохрупких и упругопластичных пород еще имеет преобладающее значение, находят по формуле

где ру ф — предел усталости породы в условиях забоя, МН/м2. Если бурение ведется в породах, не дающих хрупкого раз­ рушения, то поверхностное разрушение начинается при осе­

Если известно критическое напряжение о породы в барах, то осевую нагрузку G0f в килоньютонах на долото можно подсчитать по формуле

Поверхностные разрушения горных пород, не дающих хрупкого разрушения, наблюдаются при G < G0,

Максимальную осевую нагрузку на долото (в кН) при раз­ буривании пластичных пород шарошечными долотами, исхо­ дя из особенностей разрушения этих пород при бурении, можно определить по формуле

где F6ma( — уравновешивающая площадь долота при макси­ мально допустимом погружении 5МД, его рабочих элементов в породу, см2;

(8.47)

hZMt — высота самых низких зубцов долота.

Осевая нагрузка на долото, скорость вращения его и пода­ ча промывочной жидкости не должны превышать величин, обусловливаемых техническими возможностями буровой ус­ тановки.

Пример 1. Определить осевые нагрузки G0,, Gyl и Gnl на трехшарошеч­

По формуле (8.42) находим осевую нагрузку на долото при преобладаю­ щем значении поверхностного разрушения породы:

Gn, = 0,1-475-1,46 = 69,3 кН.

Согласно неравенству (8.43) усталостно-поверхностное разрушение по­ роды при рассматриваемых условиях имеет преобладающее значение при осевых нагрузках на долото, заключенных в пределах от 69,3 до 188,3 кН, т.е.

69,3 < Су( < 188,3 кН.

Пример 2. Определить максимальную осевую нагрузку на шарошечное

По уравнению (8.45) имеем

G* = 0,1-196 2,03 = 39,8 кН.

Определение частоты вращения долота. Объемное раз­ рушение горной породы при бурении зависит не только от выбора требуемой осевой нагрузки на долото но и от подбо­ ра соответствующей продолжительности т контакта зубьев шарошек с породой. Минимально необходимая продолжи­ тельность тмп контакта зависит от свойств породы и других факторов и колеблется в пределах от 3 до 8 мс.

Максимально допустимую частоту вращения (об/мин) ша­ рошечного долота для обеспечения минимально необходимой продолжительности контакта зубьев с породой определяют по формуле

лется в пределах от 0,595 до 0,7).

При расчетах можно принимать тмп = 6 + 8 мс для упруго­ хрупких пород, тмп = 5+7 мс — для упругопластичных и хыл

=3 + 6 мс — для пород, не дающих хрупкого разрушения

(пластичных).

Пример 3. Определить максимально допустимую частоту вращения доло­ та из условия обеспечения объемного разрушения упругопластичной горной породы, если диаметр шарошек 95 мм, диаметр долота 145 мм, число зубьев на периферийном венце z = 19.

Принимая тмп = 6 мс, по формуле (8.48) находим, что лМА = 0.6-105 ---- —---- 345 об/мин.

А6-19-145

При поверхностном разрушении породы долотами всех типов (шарошечными, лопастными и фрезерными) механиче­ ская скорость проходки возрастает прямо пропорциона­ льно увеличению скорости вращения долота до практичес­ ки применяемых в настоящее время скоростей вращения до­ лота.

Проектирование режимов бурения расчетным путем для алмазных долот

Работами УФНИПИ (Н.Ф. Каграманов и др.) установлено, что разрушение упругохрупких и упругоплас­ тичных пород при алмазном бурении является результатом эффективного объемного разрушения скалыванием и сдви­

при выборе параметров режима алмазного бурения должны быть допустимая нагрузка на алмазы и критическая окруж­ ная скорость, определяемые соответственно прочностью ал­ мазов и существующими нормами промывки и твердости по­ род.

Нагрузку на долото (кН) рекомендуется определять по

где а — коэффициент, учитывающий характер разрушения породы на забое и прочность алмазов (для условий бурения

отечественными алмазами в Башкирской АССР коэффициент а принимается равным 0,5 —0,8); рш — твердость породы по штампу в МН/м2; SK — контактная площадь алмазов, уста­ новленных на торцовой части долота, см2, для практических расчетов можно пользоваться формулой

Значения контактных площадей для основных типоразме­

Рекомендуемая производительность насосов при алмазном бурении (в л/с), рассчитанная по формуле (8.54), приведена в табл. 8.3.

В начале бурения новым долотом нагрузка не должна пре­ вышать 5 —10 кН. Для трещиноватых пород расчетные на­ грузки рекомендуется уменьшать на 50 %.

Количество промывочной жидкости (л/с) рекомендуется определять по формуле

1 см2 за 1 с, см3/(с см2); значение К0 колеблется от 0,06 до 0,10 см3/(с-см2); 53 —площадь забоя скважины, см2.

Частота вращения алмазных долот (об/мин) определяется исходя из критической окружной скорости 0)кр коронки ди­ аметром D:

ется зашламление алмазных долот.

При бурении плотных, монолитных, малоабразивных по­ род увеличение частоты вращения неопасно. При бурении трещиноватых неоднородных пород высокая частота враще­ ния может привести к выкрашиванию алмазов. Рекомен­

250 об/мин.

Исследованиями УФНИПИ также установлено, что требуе­ мая мощность для алмазного бурения пропорциональна ско­ рости вращения и нагрузке. Удельное значение мощности составляет 0,157 —0,170 кВт на 1 см2 забоя. Момент на долоте пропорционален нагрузке. Удельное значение момента со­ ставляет 20 —30 кН м.

Проектирование режимов бурения путем пересчета

Проектировать режимы бурения путем пере­ счета можно, если на данной площади или в данных пачках породы бурили долотами определенного типоразмера и вы­ явилась необходимость перехода на долота других типов или диаметров. При этом сначала устанавливают рациональные режимы бурения для долот применяемых типоразмеров на основе имеющихся промысловых статистических данных о работе этих долот, а потом эти режимы пересчитывают для долот требуемых типов и диаметров.

Определенные таким образом параметры режимов буре­ ния должны быть уточнены с учетом технических возможно­ стей буровой установки.

При переходе на долото другого типа осевую нагрузку на

где G — осевая нагрузка на долото; Т|г — коэффициент пе­ рекрытия долота; tz — шаг зубьев; z — число зубьев на пе­ риферийном венце; индекс "с" относится к долотам, кото­ рыми велось бурение и для которых установлен рациональ­ ный режим бурения на основе промысловых статистических Данных о работе этих долот, а индекс "м" — к долотам, ко­ торыми предполагается вести бурение.

Частоту вращения долот (об/мин) можно пересчитать по формуле

(8.55)

dui.cZM

где с?шHZ' —то же, что и в уравнении (8.48).

Подачу промывочной жидкости в роторном бурении и при бурении электробурами можно оставить без изменения или несколько повысить (так как при переходе на долото другого типа процесс разрушения породы пойдет более интенсивно,

а следовательно, должна быть более интенсивной и промыв­ ка).

В турбинном бурении изменение подачи промывочной жидкости может быть вызвано не только технологическими (промывка), но и энергетическими условиями вследствие из­ менения момента сопротивления на долоте или при переходе на другой тип турбобура (например, с односекционного на двухсекционный) и т.д.

При переходе на долота меньшего диаметра стремятся со­ хранить одинаковые условия разрушения проходимых пород, т.е. одинаковые механические скорости проходки. Это мо­ жет быть достигнуто, если при уменьшении диаметра долота не будет допущено снижения частоты вращения долота, удельной нагрузки на породу и степени очистки забоя и до­ лота от выбуренной породы и промывки ствола скважины.

Осевую нагрузку на долото можно определить по формуле

(8.56)

где D — диаметр долота; индекс "Г' относится к долотам большего диаметра, которыми велось бурение и для которых установлен рациональный режим бурения на основе промыс­ ловых статистических данных о работе этих Долот; ин­ декс "2 " — к долотам меньшего диаметра, которыми предпо­ лагается бурить.

Если исходить из условия равенства механической скоро­ сти проходки, то п2 = п х; если исходить из условия тмП = = const, то частоту вращения долота (об/мин) можно под­ считать по формуле

(8.57)

Зная А*н1, можно определить требуемое число ступеней к'2 турбины турбобура меньшего диаметра:

где Ам1(1, — параметр Ам одной ступени турбины меньшего диаметра.

Пример 8. Определить подачу промывочной жидкости при бурении до­ лотами условного размера N° 9 турбобура T12M3-7 1/2", если при бурении долотами условного размера № 11 на турбобурах T12M3-9" рациональная подача промывочной жидкости составляет 39 л/с.

По формуле (8.59) подача составит

0 = 39 214 0,0987 = 287 л /с.

269 0,1150

Пример 9. Определить параметр Лм турбины меньшего Диаметра для ус­ ловий примера 8, если 0 2 = 26,6 л/с.

По формуле (8.63)

= 01258 Н-м-м3 (л/с)2-кН

Пример 10. Определить число ступеней турбины меньшего диаметра, если

Критерии для установления необходимости смены долота

При работе долота на забое с течением вре­ мени проходка возрастает, а мгновенная механическая ско­ рость уменьшается. Если при этом долговечность Tf опор до­ лота выше долговечности Тг рабочей поверхности, то мгно­ венная рейсовая скорость сначала увеличивается, достигая максимального значения для данных условий, а затем умень­ шается. Продолжительность механического бурения, при ко­ тором достигается максимум рейсовой скорости, называется рациональным временем £бр работы долота на забое. Это время может быть вычислено по следующей приближенной формуле:

где fc.n.c.H ~ продолжительность спуска, подъема, смены до­ лота и наращивания бурильной колонны; £пп — продолжи­ тельность промывки и проработки скважины;

(8.63)

В формуле (8.63) 0Z — коэффициент износа рабочей по­ верхности долота — характеризует темп падения мгновенной механической скорости в процессе работы долота на забое и представляет собой обратную величину логарифмического декремента убывания указанной скорости; последний равен времени, в течение которого мгновенная механическая ско­ рость уменьшается в е раз (е — основание натуральных ло­ гарифмов).

Значение 0Z зависит от абразивных свойств породы, из­ носостойкости рабочей поверхности долота и параметров режима бурения; оно возрастает с увеличением диаметра до­ лота и шага зубьев.

Значение 0Z можно определить опытным путем, восполь­ зовавшись формулой

(8.64)

где Л, — проходка, выполненная долотом в данном долбле­ нии за время f6l; h2 —то же, за время £б2 = 2 £б1.

Следует иметь в виду, что уравнение (8.62) получено при условии, что £с п с н и ta a для данного долбления не зависят от времени механического бурения. Это, очевидно, справедливо в том случае, когда проходка на долото не превышает длины бурильных труб.

Кривая vp = vp(f6) имеет асимметричный вид: у восходя­ щей части этой кривой темп возрастания более высокий, чем темп падения у нисходящей части кривой. Поэтому при при­ ближенных определениях t6 допускать ошибку можно лишь в сторону "передержки" долота на забое, так как небольшая "передержка" мало отразится на величине рейсовой скорости и по сравнению с "недодержкой" даст большую проходку. Кроме того, следует учитывать и то, что продолжительность работы долота, соответствующая минимальному значению себестоимости 1 м проходки, обычно больше (иногда равна)

продолжительности работы, соответствующей максимальной рейсовой скорости.

Как правило, на буровых отсутствуют приборы, записы­ вающие кривую vp = vp(t6) и указывающие ее максимум. По­ этому t6p отдельно для каждого долбления не определяют, а используют различные данные, полученные на основе хронометражных наблюдений и статистических материалов, на­ пример:

1)продолжительность механического бурения t6 p;

2)проходку на долото, соответствующую t6 p,

3)конечную механическую скорость vK, соответствующую максимуму рейсовой скорости;

4)отношение конечной механической скорости vK к на­ чальной VQ.

Хронометражные наблюдения показывают, что шарошеч­ ные долота в большинстве случаев приходится поднимать до наступления максимума рейсовой скорости. Это происходит потому, что долговечность опор шарошечных долот меньше долговечности их рабочей поверхности, а продолжительность спускоподъемных операций и вспомогательных работ имеет сравнительно большую величину.

Если в данных условиях какие-либо модели долот приме­ няются длительное время, то на основании статистических материалов для них устанавливается время Г„ за которое на­ ступает расстройство опор. Это время равно времени эф­

фективной работы долота на забое £б э. После того как доло­ то проработало на забое в течение времени t6Tf, его необхо­ димо поднимать, если даже при этом механическая скорость еще сравнительно высокая. В турбинном бурении при этом можно еще ориентироваться и на приемистость турбобура, т.е. на величину осевой нагрузки Gmax.

Таким образом, если Tf > Т2и в процессе бурения необхо­ димо достичь максимума рейсовой скорости, то этими доло­ тами следует бурить до получения указанного максимума в течение времени £б р. Если Тг < Т2, то бурить следует в течение времени f63 = Tf. Очевидно, при использовании безопорных долот (лопастные, алмазные и с резцами из твердого сплава) ориентироваться необходимо на t6p, учитывая при этом "потерю" ими диаметра.

При определении необходимости смены долота можно ис­ ходить из стоимости 1 м проходки, т.е. поднимать долота тогда, когда стоимость 1 м проходки в процессе долбления снизится до минимума.

Задаваемые бурильщиками значения критериев для уста­