книги из ГПНТБ / Промывка при бурении, креплении и цементировании скважин

чались два крупных кусочка и мелкие частицы с пылью, причем кусочки имели форму полуэллипсов, образующихся по сторонам зубца, с размерами по большей полуоси 12—13 мм.

Если энергия удара недостаточна для получения выкола иоро* ды при каждом воздействии инструмента, но она выше определен­ ной величины, то указанное явление может быть получено после не­ скольких воздействий. В этом случае будет происходить так назы­ ваемое усталостно-объемное разрушение горной породы.

При получении же выкола породы при каждом воздействии ин­ струмента процесс разрушения горной породы называется объем­ ным.

ІР

Рис. 3. Схема второго механизма разрушения горной породы при вдавливании в нее инструмента.

Если энергия удара не превышает определенной величины, то будет происходить поверхностное разрушение породы.

Усталостно-объемное разрушение горной породы происходит за счет различных явлений рассмотренных выше механизмов раз­ рушения.

Таким образом, внедрение (статическое или динамическое) инструмента в горную породу в атмосферных условиях обычно при­ водит к сильному измельчению ее под инструментом и к сильному спрессовыванию этой дисперсной массы, которая, действуя на ок­ ружающую ее консоль, приводит к выколу и растрескиванию пос­ ледней. В результате образуется лунка разрушения, объем кото­ рой во много раз превышает объем внедрившейся в породу части инструмента, причем некоторая часть лунки заполнена сильно спрессованной дисперсной массой. Частицы же породы, образовав­ шиеся из консоли, в несколько раз превышают поперечные разме­ ры инструмента.

При разрушении горных пород (известняк людерс, песчаник, глинистый и кремнистый сланец) с помощью резцов при атмос­ ферном давлении осколки отделяются от основной массы с боль­ шой угловой и линейной скоростью, причем линейное ускорение в 150—300 раз превышает ускорение свободного падения [39]. Объем породы, удаляемый путем скалывания, значительно превышает

10

объем, удаляемый в результате дробления даже при резцах с от­ рицательным передним углом. Размер отколотых частиц породы возрастает с увеличением глубины резания и переднего угла и слегка уменьшается при высоких скоростях резания. Наибольшее

влияние на размер отколотых частиц пород оказывает глубина ре­ зания.

Процесс разрушения горной породы (кварца) алмазной пира­ мидой начинается с раздавливания ее и отделения некоторого массива в виде одной-двух удлиненных чешуек [42]. При дальней­ шем движении алмаза чешуйки разбиваются на мельчайшие ча­ стицы, которые с большой скоростью отлетают в сторону, проти­ воположную движению алмаза (впереди алмаза совершенно не наблюдается каких-либо образований в виде стружек, сколотых частиц и т. д.). Оставленный алмазом след значительно шире са­ мого алмаза, причем тем больше, чем выше скорость резания.

Чтобы определить наиболее выгодное направление насадок ло­ пастного долота, изучался процесс образования стружек в гли­ нах различной твердости и в парафине [107]. Было установлено, что стружки исследованных материалов в сущности сходны и име­ ют тенденцию закручиваться вверх и от лопасти.

При работе шарошечного долота на забое скважины в зоне действия периферийных венцов обычно образуется рейка [41, 52, 73]. Шаг гребешков этой рейки равен шагу зубьев периферийного венца с наименьшим числом зубьев. Зубья периферийных венцов других шарошек воздействуют на боковые грани указанных гре­ бешков и соскальзывают во впадины рейки. Время от времени эти зубья скалывают верхнюю часть гребешков с образованием круп­ ных частиц шлама. Иногда рейка образуется и в зоне действия ос­ новных венцов.

Крупные частицы шлама получаются также при скалывании воротников, которые могут возникать на забое скважины при бу­ рении долотами с самоочищающимися шарошками.

Количество крупных частиц шлама размером 5—10 мм и более не превышает 3% от общего объема выбуриваемой горной поро­ ды и в большинстве случаев составляет доли процентов.

При бурении алмазными долотами в шламе встречаются час­ тицы горной породы с размерами, в 5—10 раз превышающими ве­ личину выхода алмазных зерен из матрицы.

Развитие механизма разрушения горной породы в условиях высокого давления всестороннего сжатия качественно мало отли­ чается от процесса разрушения при атмосферных условиях, но в количественном отношении влияние этого давления весьма сущест­ венно. Так, для разрушения породы вдавливанием инструмента в условиях высокого давления всестороннего сжатия требуется во много раз большая нагрузка, чем в атмосферных условиях, причем процесс диспергирования породы под инструментом протекает го­ раздо интенсивнее, что приводит к значительному внедрению ин­ струмента в горную породу.

11

В массиве горная порода находится в условиях всестороннего сжатия под действием горного (или геостатического) ртд и боко­ вого /7ид давлений [89]:

где р*д— градиент горного давления; Ятм — глубина залегания дан­

ной точки массива горных пород; Род — коэффициент бокового дав­ ления (или распора).

При РбД=1 отечается равномерное всестороннее сжатие мас­ сива горных пород, а при &бд<1— неравномерное с соответствую­ щим напряженным состоянием. Величина Рг>д приближается к еди­ нице в толщах глинистых и других высокопластичных пород на сравнительно небольшой глубине и в толщах ряда других пород на значительной глубине.

Напряженное состояние горной породы в стенках скважины и напряженное состояние на ее забое обычно значительно отличают­ ся от напряженного состояния породы в массиве. На забое сква­ жины напряженное состояние горной породы зависит от давления промывочной жидкости на забой рш, формы забоя и других факто­ ров. Так, например, если рЯІ = 0, то в центре забоя скважины, имею­ щего трехкопусную форму (получаемую при использовании ша­ рошечных долот типа М) или форму сопряженных в центральном сечении двух полуокружностей (получаемую при использовании алмазных долот), снимающие напряжения отсутствуют. При лю­ бой форме забоя повышение давления промывочной жидкости на забой приводит к росту сжимающих напряжений в его поверхно­ стном слое, а следовательно, к упрочнению горной породы. В то же время при обычной промывке (прямой без противодавления)

где р ѵ — статическое давление промывочной жидкости и ри— по­ тери давления в кольцевом пространстве, причем ру и р1; прямо пропорциональны удельному весу уж промывочной жидкости:

ной проекции глубины скважины; Ь1; и аи — коэффициенты, харак­ теризующие пропускную способность кольцевого пространства и зависящие от геометрии и размеров элементов этого пространства, свойств промывочной жидкости и режима ее течения; Q — рас­ ход промывочной жидкости; LT— длина колонны бурильных труб [61, 89]. Следовательно, с увеличением удельного веса промывочной жидкости должно возрастать упрочнение горной породы, что при­ водит к снижению показателей работы долот.

12

В дальнейшем были проведены опыты по оценке влияния все­ стороннего сжатия породы на механическую скорость проходки при бурении того же мрамора обычным шарошечным долотом диа­

что вода быстро проникала в спрессованную массу и диспергиро­ вала ее, действуя как ПАВ.

Отрицательное влияние давления промывочной жидкости на забой скважины на процесс разрушения горной породы при буре­ нии сказывается не только вследствие упрочнения породы, но и вследствие ухудшения условий отхода образующихся частиц от забоя.

На частицу, образовавшуюся в результате воздействия доло­ та на горную породу, действуют удерживающие ее на месте об­ разования силы, среди которых большое значение имеет сила, обус­ ловленная давлением промывочной жидкости на забой. До нача­ ла отхода частицы от массы породы эта сила прямо пропорцио­ нальна дифференциальному давлению. Снижая дифференциальное давление, мы улучшаем условия отхода частицы от забоя; при Рт= Рпл рассматриваемая сила равна нулю.

В процессе отхода частицы от забоя может возникнуть прижи­ мающая ее к материнской породе сила, обусловленная тем, что об­ разующееся под частицей пространство не будет своевремённо за­ полняться жидкостью. Этой жидкостью может быть промывочная жидкость, фильтрат промывочной жидкости, флюид, вытекающий из частицы, и флюид, поступающий из материнской породы. При определенных условиях эта сила может достигать значительных ве­ личин.

Скорость заполнения пространства под частицей тем выше, чем больше подвижность промывочной жидкости и ее водоотдача, выше проницаемость разбуриваемой породы и больше подвижность пла­ стового флюида, ниже глинизирующее (закупоривающее) дейст­ вие промывочной жидкости. Отход продуктов разрушения от мате-

14

ника может приводить к одностороннему (неравномерному) изно­ су долота.

При большом зашламлении забоя и долота время пребывания долота на забое обычно существенно ограничивают; в результа­ те недоработки долота и снижения механической скорости проход­ ка на долото при наличии сальника резко уменьшается. Сальник на долоте способствует росту давления в буровых насосах и дав­ ления промывочной жидкости на забой, а также гидродинамиче­ ских давлений в скважине (вследствие поршневого эффекта саль­ ника) .

ОЧИСТКА ЗАБОЯ ОТ ВЫБУРЕННОЙ ПОРОДЫ И ВЫНОС ШЛАМА В КОЛЬЦЕВОЕ ПРОСТРАНСТВО

НАД ДОЛОТОМ

Отходу частицы горной породы от забоя препятствуют не толь­ ко глинисто-шламовая корка и сила, обусловленная разностью дав­ лений над частицей и под ней, но также и вес частицы, силы сцеп­ ления (вторичные, вызванные высокими усилиями сжатия, созда­ ваемыми инструментом) и другие силы. В современной буровой практике преодоление указанных противодействий отходу частицы от материнской породы осуществляется в основном промывочной жидкостью, которая затем выносит выбуренную породу в кольце­ вое пространство над долотом и обычно используется для транс­ портировки шлама па дневную поверхность.

Основное вымывающее действие оказывает поток промывоч­ ной жидкости, движущийся параллельно забою. Результирующая вымывающая сила является суммой сил, возникающих при дей­ ствии этого потока на поверхность частицы породы [102]. Одной из составляющих указанной силы является ударная сила. Она про­ порциональна площади проекции частицы на плоскость, перпен­ дикулярную потоку жидкости, квадрату скорости потока и удель­ ному весу жидкости.

Вследствие разницы в скоростях движения жидкости над час­ тицей и под ней возникает так называемая подъемная сила. Эта сила пропорциональна площади проекции частицы на плоскость, параллельную потоку жидкости, удельному весу жидкости и квад­ рату скорости потока.

При малых скоростях на небольшие частицы шлама в очень вязких промывочных жидкостях действует выносящая сила, кото­ рая пропорциональна скорости потока, удельному весу и вязкос­ ти жидкости, а также площади проекции частицы породы на плос­ кость, перпендикулярную направлению потока.

Вымывающее действие потока промывочной жидкости облегча­ ется выталкивающей (архимедовой) силой, но сила эта действует только в том случае, когда частица шлама окружена жидкостью.

Слой жидкости, примыкающий непосредственно к забою, явля­ ется неподвижным. В граничащем с ним слое наблюдается лами-

16

бой, минуя шарошки. Такие струи вымывают частицы шлама и очищают забой скважины двумя способами: ударным воздействием перпендикулярно к забою и воздействием так называемой реак­ тивной струей, т. е. потоком, параллельным забою, причем основ­ ное вымывающее действие оказывает реактивная струя [106]. Ударное воздействие высокоскоростной струи проявляется в отно­ сительно небольшом участке забоя, и уже па небольшом расстоя­ нии от центра действия струи его значение очень мало. Однако удар струи о забой сопровождается энергетической реакцией во все стороны, и горизонтальные составляющие отраженной струи смывают шлам с забоя, проникают под шарошки.

Жидкость, отраженная в сторону ближайшей части периферии забоя скважины, сразу выносит захваченную породу в кольцевое пространство над долотом. Жидкость, отраженная в другие сто­ роны, встречается с такими же потоками жидкости остальных струн; происходят завихрения, взвешивающие шлам и очищающие шарошки. Результирующая скорость жидкости в этих завихрени­ ях также направлена в кольцевое пространство, куда и выносится соответствующий шлам.

Определенную роль в очистке шарошек и забоя может играть свойство рассматриваемых высокоскоростных струй захватывать в свое движение окружающую среду и в результате этого увеличи­ ваться в массе по мере удаления от промывочных устройств доло­ та, создавая тем самым повышенную местную циркуляцию промы­ вочной жидкости.

Реактивная сила вначале вертикальна, а вблизи забоя сква­ жины она приобретает горизонтальное направление; на определен­ ном расстоянии от стенки скважины реактивная сила имеет макси­ мальную величину.

' Таким образом, вследствие вращения долота и его шарошек и подачи промывочной жидкости через промывочные устройства долота в призабойной зоне существует вихревое движение жид­ кости, которое вымывает шлам с забоя и поддерживает его во взвешенном состоянии в указанной зоне. Отделению шлама от забоя способствуют выталкивающие и сдвигающие действия зубьев шарошек, а также действие высокоскоростных струй промывочной жидкости на забой (в случае применения долот с нижней про­ мывкой).

Прокачиваемая через призабойную зону промывочная жидкость обладает уносящим действием: она захватывает взвешенный в этой зоне шлам и выносит его в кольцевое пространство. Можно пред­ положить, что эта жидкость движется вокруг долота в виде вих­ ревого потока. Выносная же способность вихревого потока тем выше, чем выше значение его вихря скорости. При данной интен­ сивности вихря величина его скорости обратно пропорциональна площади поперечного сечения вихревого потока fB. Для призабой­ ной зоны площадью поперечного сечения вихревого потока являет­ ся площадь поперечного сечения кольцевого пространства между

18

долотом и степной скважины. Эта площадь неодинакова по вы­ соте долота.

Из результатов замеров [60] можно заключить, что у шарошеч­ ных долот /в максимальна на уровне, который находится от забоя на расстоянии, примерно равном проекции диаметра шарошки долота на вертикальную ось, и она несколько больше /в у основа­ ния долота, т. е. у забоя (рис. 4). Минимальное значение пло­ щадь поперечного сечения вихревого потока имеет на уровне ко­ зырьков лап, и оно меньше максимального значения почти в 2 ра­ за. Следовательно, на уровне, соответствующем верхнему положе­ нию периферийных зубьев шарошек, вихрь скорости имеет мини­ мальное значение, и поэтому здесь существуют условия для скопле­ ния шлама.

Ширина кольцевого пространста за долотом на данном рас­ стоянии от забоя не одинакова: она максимальна между лапами и

шлама, но и быстрый износ спи­ нок лап и, что особенно нежелательно, быстрое разрушение ко­

зырьков лап. Последнее приводит к оголению большого роликово­ го подшипника шарошки и к более значительному попаданию в ее полость абразивных твердых частиц, содержащихся в промывоч­ ной жидкости, к ускоренному износу опор долота.

Наваркой твердого сплава на спинки лапы и ее козырьки не­ сколько снижают темп их изнашивания. Однако более рациональ­ ным решением вопроса предохранения спинок и козырьков лап от преждевременного износа было бы улучшение условий выноса бу­ рового шлама из призабойной зоны в кольцевое пространство (на­ пример, путем создания в конструкции долота специальных тран­ спортных путей в результате устранения указанного выше надшарошечного пространства и др.).

19