1. Влияния параметров режима бурения на износ долота и показатели его работы. Х

Как показывают широкие исследования и многолетний производственный опыт, оптимизация техноло­гического режима бурения требует определенного соответст­вия величин режимных параметров в комплексе. Однако для

выяснения роли каждого режимного параметра в достижении оптимального уровня используется методика исследований, по которой в стабильных условиях изучают изменение пока­зателей бурения при варьировании только одного режимного параметра Таким образом, было выяснено влияние осевой нагрузки, частоты вращения инструмента и подачи бурового раствора на эффективность работы породоразрушающего инструмента и его износостойкость. Поскольку тестирование в таких случаях проводится на протяжении короткого отрез­ка времени, то показателем эффективности работы инстру­мента может служить механическая скорость проходки и ее зависимость от исследуемого параметра.

Нагрузка на долото Р_д— один из основных режимных параметров. Она определяет удельное давление на контакте между рабочим элементом породоразрушающего инструмен­та (зубцом, резцом и т.п.) и горной породой на забое сква­жины. От контактного давления зависит интенсивность воз­действия инструмента, глубина проникновения рабочих орга­нов в забой, особенность процесса разрушения горной поро­ды. В общих чертах зависимость характера разрушения гор­ной породы от контактного давления можно проследить на примере разбуривания хрупкой или упругопластичной поро­ды (рис. 6.3).

На основании анализа зависимости механической скоро­сти от контактного давления выделяют три характерные зо­ны:

зона I(участокОА) — контактное давление ниже предела усталости горной породы, разрушение породы в виде по­верхностного износа вследствие трения, скорость проходки прямо пропорциональна контактному давлению. В т. А контактное давление достигает предела усталости. Предел усталости р_д— это наименьшее контактное давление, при котором многократное приложение нагрузки вызывает развитие тре­щин в породе, приводящее к объемному разрушению. Пре­дел усталости какой-либо горной породы в 20 — 30 раз ниже показателя ее твердости. Чем более неоднородна и хрупка горная порода, тем меньшее количество циклов нагружения требуется для ее разрушения;

Рис. 6.3. Зависимость мгно­венной скорости проходки V_мгнот давления на контак­те зубца с породой р_к

зона II(участокАВ) — контактное давление превышает предел усталости, но остается ниже уровня, соответствующе­го твердости горной породы в забойных условиях р_в. Отме­чается появление трещин, сколов после многократного воз­действия нагрузки. По мере увеличения контактного давления интенсивность развития трещин и глубина их проникновения растут, а требуемое количество циклов нагружения снижа­ется;

зона III(участокВС) — контактное давление превосхо­дит твердость горной породы в забойных условиях. Объем­ное разрушение горной породы происходит при единичном акте нагружения. На начальном участке наблюдается прямо пропорциональная зависимость между контактным давлением (нагрузкой на долото) и скоростью. УчастокВС демонстриру­ет тенденцию последующего роста скорости бурения с повы­шением нагрузки на долото, однако на практике для каждого конкретного сочетания долото — горная порода существует некоторый предел нагрузки, при которой достигается макси­мальная глубина внедрения рабочих элементов в породу.

При дальнейшем увеличении нагрузки механическая ско­рость проходки не растет. Оптимальный уровень нагрузки на долото связан с твердостью горной породы и с ее ростом повышается. Вместе с тем на величину оптимальной нагрузки для конкретной пары долото — горная порода оказывает влияние степень очистки забоя от шлама, конфигурация за­боя скважины, высота зуба и т.д. С улучшением очистки за­боя от шлама (кривая ВС) оптимальный уровень нагрузки повышается (сравните с кривойВС).

К определению оптимального уровня нагрузки на долото обычно подходят с точки зрения обеспечения режима наибо­лее эффективного объемного разрушения горной породы, т.е. из условия, что создаваемое контактное давление будет не ниже твердости горной породы в забойных условиях.

Для вычисления нагрузки на шарошечное долото В.С. Фе­доровым и другими исследователями рекомендована формула

где а — коэффициент, учитывающий изменение твердости горной породы в конкретных условиях забоя скважины, α = 0,33 + 1,59; р_ш — твердость горной породы по штампу;k_п — коэффициент перекрытия шарошечного долота;D_д, — диаметр долота;b— ширина площадки притупления зубца, обычно принимается равной 1 мм.

Так как невозможно с достаточной точностью прогнози­ровать твердость горной породы в забойных условиях, рас­четное значение нагрузки приходится корректировать по ре­зультатам практической проверки. Рекомендуемая нагрузка не должна превышать предельно допустимых ее значений .

На практике нагрузка на долото иногда лимитируется не­благоприятными условиями в стволе скважины (высокая кавернозность, частая перемежаемость горных пород, искрив­ление скважины и т.п.) и прочностью бурильной колонны.

Частота вращения инструмента существенно влияет на условия и показатели работы породоразрушающего инстру­мента. Частоту вращения регулируют по-разному в зависи­мости от способа бурения: в роторном бурении она может ступенчато изменяться в некоторых пределах, которые обус­ловлены технической характеристикой буровой установки, в то же время привод на постоянном токе допускает ее плано­вое регулирование в широких пределах; в турбинном буре­нии частота вращения инструмента изменяется в зависимости от крутящего момента на валу турбобура в соответствии с его рабочей характеристикой; при использовании электробура во всем рабочем диапазоне нагрузок частота вращения его вала изменяется весьма незначительно.

В простейшем виде зависимость механической скорости проходки от частоты может быть выражена следующим об­разом:

где — проходка ствола скважины за один оборот инстру­мента;n- частота вращения, об/мин.

На рис. 6.4 зависимость V_m = f(n) должна быть представле­на прямой линией, угол наклона которой к оси абсцисс оп­ределяется величиной б. В действительности зависимость вида / наблюдается только при использовании некоторых типов породоразрушающего инструмента (алмазных долот, мелкоалмазных и имирегнированных коронок, долот типа ИСМ в твердых породах). И в то же время для многих иных видов породоразрушающего инструмента (например, дkя шарошеч­ных долот) на полученной экспериментальным путем зависи­мости заметно выполаживание [кривая2 на рис. 6.4). Анали­зируя полученную зависимость, можно предположить, что, начиная с некоторого порога частоты, проходка за один оборот становится функцией частоты.

Продолжительность взаимодействия рабочего органа с за­боем зависит от частоты вращения инструмента и снижается с ее ростом. Чтобы взаимодействие завершилось разрушени­ем, необходимо некоторое время на развитие полной дефор­мации и разрушение горной породы.

В хрупких породах деформация происходит за несколько миллисекунд.

Рис. 6.4. Зависимость меха­нической скорости проходки V_m от частоты вращения до­лотаn