книги из ГПНТБ / Григорян, Н. А. Бурение наклонных скважин уменьшенных и малых диаметров

в прежнем положении, чтобы дать возможность фрезеровать стенку ствола (с целью набора «ли снижения кривизны сква­ жины) .

Эксперименты проводили на пористом пелитоморфном извест­ няке и .мраморе. Согласно классификации Л. А. Шрейнера извест­

к упруго-хрупким породам. В качестве породоразрушающих инстру­ ментов использовали трехшарошечные долота 4В-140С; 1В-132С и 1У-97С. Завес шарошек для первых двух долот составляет 2,0 мм, а для последнего— 1,5 мм.

При бурении скважин стенка ствола фрезеруется тыльной частью периферийных зубьев и обычно ограничивается величиной завеса шарошек. Это вызвано тем, что корпус долота упирается в стенку ствола и ограничивает дальнейшее ее фрезерование. Без­ условно, при определенных сочетаниях отклоняющей силы и меха­ нических свойств проходимых пород возможно разрушение стенки скважины и корпусом долота. Однако этот процесс является мало­ производительным и нежелательным, так как приводит к интенсив­ ному износу и слому козырьков лап.

Для исключения этого ограничивающего фактора и продления времени экспериментирования по фрезерованию стенки ствола пер­ воначально бурили вертикальный ствол, а затем фрезеровали опре­

боковых поверхностей долот. Обычно, когда фрезерование стенки скважины ограничивается завесом шарошек, высота фрезерования равна длине армированного слоя периферийных зубьев с тыльной стороны, которая для долот 4В-140С, 1В-132С и 1У-97С состав­ ляет соответственно 16, 19 и 10 мм. Поскольку во время экспери­ ментов проходка по боковому фрезерованию не ограничивалась, то благодаря дополнительной конусности шарошек фактическая высота слоя фрезерования превышала приведенные выше значения и составляла соответственно 23, 22 и 14 мм.

Для получения наиболее эффективного вида разрушения, когда

а) чтобы величина контактного давления достигала значения твер­ дости породы; б) чтобы продолжительность контакта рабочих эле­ ментов долота с породой была достаточной для полного протека­ ния процесса разрушения породы.

Процесс разрушения стенки скважины имеет несколько отличи­ тельных сторон по сравнению с процессом разрушения ее забоя. Одна из них заключается в том, что фрезерование стенки ствола за один оборот долота производят периферийные зубья всех трех

120

шарошек, в то время как забоя разрушается только отдельными венцами одной шарошки (для долот с самоочищающимися шарош­ ками), кроме периферийных зубьев. Поэтому для бокового пере­ мещения долота при прочих равных условиях требуются меньшие обороты долота, чем для углубления. Вторая особенность процесса бокового фрезерования верхней стенки скважины состоит в том,, что частицы выбуренных пород выпадают на забой п не зашламляют стенку ствола, как это происходит при разрушении забоя.

Рис. 36. Изменение механической скорости бо­ кового фрезерования стенки ствола в зависи­ мости от отклоняющей силы при разбуривании

в меньшей степени, чем на процесс разрушения забоя.

На рис. 36 представлены зависимости механической скорости бокового фрезерования от отклоняющей силы, полученные при раз­ рушении пористого известняка боковыми поверхностями трехшаро­ шечных долот 4В-140С, 1В-132С и 1У-97С. Во всех графиках каж­ дая экспериментальная точка является среднеарифметической ве­ личиной из данных трех—пяти опытов.

На графиках обозначения скоростей вращения следующие: П\ = = 35, « 2 = 50, «з=80, /г4 —190, « 5 = 280 и « 6 = 400 об/мин.

Из рис. 36 следует, что с увеличением отклоняющей силы на до­ лоте механическая скорость бокового фрезерования увеличивается с различной интенсивностью в завиоимости от размера и конструк-

121

тнвных особенностей трехшарошечного долота и скорости его вра­ щения.

При работе трехшарошечным долотом 4В-140С (см. рис. 36, а) с увеличением отклоняющей силы от 40 до 280 кгс механическая скорость бокового фрезерования в начале растет по линейному за ­ кону, а затем по криволинейному с показателем степени больше единицы. Значение отклоняющей силы, при котором происходит пе­ реход от линейной зависимости и(|, (Рот) к степенной для данного долота зависит от скорости его вращения. Чем больше скорость вращения долота, тем при меньших значениях отклоняющей силы происходит переход от одного вида разрушения к другому.

В процессе разрушения пористого известняка боковой поверх­ ностью трехшарошечного долота 1В-132С механическая скорость бокового фрезерования с увеличением отклоняющей силы в преде­ лах 40-ь280 кгс возрастает по линейной зависимости (см. рис. 36, б). С увеличением скорости вращения долота интенсивность роста указанной зависимости возрастает.

Несколько отличный характер имеет зависимость Уф (Рит), ко­ гда пористый известняк разрушается боковой поверхностью трех­ шарошечного долота 1У-97С (см. рис. 36, в). При скорости враще­ ния долота до 190 об/мин механическая скорость бокового фрезе­ рования с ростом отклоняющей силы от 40 до 280 кгс возрастает по линейной зависимости. Если же скорость вращения долота со­ ставляет 280 и 400 об/мин, то функция Оф (Р0т) в начале возра­ стает по линейной зависимости; а затем переходит в криволиней­ ную с показателем степени меньше единицы. Чем выше скорость вращения долота, тем при меньших значениях отклоняющей силы наблюдается указанный переход. Такое положение может быть объяснено тем, что совокупное влияние увеличения числа пораже­ ний забоя, скорости удара и динамической составляющей осевой нагрузки при повышении скорости вращения в указанных пределах превышает снижение времени контакта зубьев долота с породой, но в меньшей степени, чем в первоначальный период.

Из сопоставления графиков Цф (Р„т) в случае разрушения по­ ристого известняка боковыми поверхностями трехшарошечных до­ лот 4В-140С, 1В-132С и 1У-97С следует, что при одинаковых зна­ чениях Рот механическая скорость бокового фрезерования с умень­ шением диаметра долота возрастает. Это является результатом снижения 'боковой контактной поверхности шарошек с уменьше­ нием диаметра долота и увеличения удельной боковой контактной нагрузки.

Сравнительно более интенсивный рост механической скорости бокового фрезерования при работе долотом 4В-140С в определен­ ных значениях Р 0т (в области степенной зависимости) относи­ тельно долота 1В-132С может быть объяснено конструктивной осо­ бенностью боковых поверхностей шарошек. Дело в том, что хотя диаметр долота 4В-140С больше диаметра долота 1В-132С, тем не менее длина армированной части периферийных зубьев с тыльной

122

стороны, осуществляющая фрезерование, у первого долота меньше, чем у второго (16 мм против 19 мм). Следует также отметить, что фрезерование пород боковой поверхностью долота происходит сту­ пенчато: часть 'породы по определенной высоте разрушается тыль­ ной частью периферийных зубьев шарошек, а другая часть породы разрушается вследствие дополнительной конусности шарошек зубь­ ями периферийного ряда.

Проведенные экспериментальные исследования по разрушению пористого известняка боковыми поверхностями трехшарошечных долот 4В-140С, 1В-132С и 1У-97С показали, что в диапазонах изме­ нения отклоняющей силы от 40 до 280ч-320 кгс и скорости враще­ ния долота 3 5 4 0 0 об/мин максимума функции Оф ( Р 0т ) не име­ ется. Правда при работе долотом 1У-97С при скоростях вращения

Рис. 37. Изменение механической скорости бокового фрезерования стенки ство­ ла в зависимости от отклоняющей силы при разбуривании мрамора:

а — долото 1В-132С; б —долото 1У-97С.

л ,—50, п2— 190, п3— 280, п< — 400 об/мин

280 и 400 об/мин и отклоняющей силе 200-^280 кгс темп роста функции Оф (Рот) снижается.

Характер изменения Оф в зависимости от Р от при разрушении мрамора боковыми поверхностями трехшарошечных долот 1В-132С и 1У-97С качественно одинаков, отличие (количественное (рис. 37). Механическая скорость бокового фрезерования с увеличением от­ клоняющей силы в начале растет по линейной зависимости, а за­ тем— по криволинейной с показателем степени больше единицы. Значения отклоняющей силы, при которых происходит переход от линейной зависимости к степенной, зависит как от типоразмера до­ лота, так и от скорости его вращения. С увеличением скорости вра­ щения и уменьшением диаметра долота значения Я 0т, при котором происходит переход от одного вида разрушения мрамора к дру­ гому виду, снижается.

Сопоставление зависимости Оф (Р0 т) для указанных долот по­ казывает, что при одинаковые значениях отклоняющей силы и скорости вращения механическая скорость бокового фрезерования с уменьшением диаметра долота возрастает.

123

Зависимость механической скорости бокового фрезерования от скорости вращения долота

Изменение скорости вращения долота оказывает сущест­ венное влияние на механизм разрушения породы как торцевой поверхностью трехшарошечного долота, так и его боковой поверх­ ностью.

В. С. Федоров [70] отмечает, что с ростом скорости вращени шарошечного долота наблюдается соответствующее увеличение: а) числа поражений зубьев шарошек в единицу времени; б) ско­ рости удара зубьев о породу; в) динамической составляющей на­ грузки на долото.

Все эти изменения в работе долота увеличивают эффект раз­ рушения пород. С другой стороны, увеличение скорости вращения долота уменьшает продолжительность контакта зубьев шарошек с породой. Это явление снижает эффект разрушения породы. По­ этому изменение механической скорости разрушения породы с ро­ стом скорости вращения долота будет зависеть от того, влияние каких факторов в данных конкретных условиях будет превалиро­ вать.

Зависимости механической скорости бокового фрезерования от числа оборотов при разрушении пористого известняка и мрамора боковыми поверхностями трехшарошечных долот 4В-140С, 1В-132С и 1У-97С при постоянных значениях отклоняющей силы представ­ лены на рис. 38 и 39. На графиках обозначения отклоняющей силы следующие: P Oti = 80, РОт2=120, РОтз=160, Р 0т 4 = 200 и Р 0Т 5 =

= 240 кгс.

На зависимость механической скорости бокового фрезерования от числа оборотов долота в случае разрушения известняка сущест­ венно влияют конструктивные особенности широшек долота. При работе долотом 4В-140С с увеличением п от 35 до 400 об/мин меха­ ническая скорость бокового фрезерования возрастает в начале по линейной зависимости, а затем интенсивность Оф растет и перехо­ дит в степенную зависимость с показателем степени больше еди­ ницы (см. рис. 38, а). Причем, чем больше отклоняющая сила на

.а затем по криволинейной, но с показателем степени меньше еди­ ницы.

Этот переход при работе долотами 1В-132С и 1У-97С наб­ людается примерно при скоростях вращения соответственно 2 0 0 и

250 об/мин.

Таким образом, если при работе долотом 4В-140С повышение скорости вращения от 35 до 400 об/мин приводит к интенсивному росту механической скорости бокового фрезерования, то при ра-

124

боте долотами 1В-132С и 1У-97С, начиная с определенных чисел оборотов темп роста Оф от п начинает снижаться. Это объясняется

Рис. 38. Изменение механической скорости бо-

копого фрезерования в зависимости от числа оборотов долота при разбуривании известняка:

0

тем, что в первом случае на процесс разрушения известняка пре­ валирующее влияние оказывают факторы, увеличивающие эффект

В

В

*о

о

Рис. 39. Изменение механической скорости бокового фрезерования в зависимости от числа оборотов долота при разбуривании мрамора:

а — долото 1В-132С; б — долото 1У-97С

разрушения от роста /г (число поражений, скорость удара и ди­ намическая нагрузка), влияние же снижения времени контакта зуба с породой при этом оказывается незаметной. А во втором и

125

третьем случаях влияние последнего фактора становится заметней, поэтому темп роста Оф от п начинает снижаться.

Возникает вопрос, чем объяснить, что при работе долотом 1В-132С снижение Цф от п начинается при меньших значениях п, чем при работе долотом 1У-97С.

Такое положение может быть объяснено тем, что в случае ра­

роны, это вызвано увеличением числа зубьев шарошек, а с другой стороны — некоторым уменьшением соотношения dm/D (1,50 у до­ лота 1В-132С и 1,56 — у 1У-97С).

При переходе к разрушению мрамора, т. е. в случае увеличе­ ния твердости пород, абсолютные значения механической скорости бокового фрезерования снижаются (см. рис. 39). Вместе с тем, влияние фактора снижения скорости разрушения сказывается уже при сравнительно больших значениях числа оборотов долота. Так, например, в 'процессе разрушения мрамора боковой поверхностью долота 1В-132С (см. рис. 39, а) темп роста механической скорости фрезерования стенки снижается начиная с /;= 280 об/мин, а при

скорость бокового фрезерования стенки ствола, доказывают, что значительное увеличение интенсивности искривления ствола при использовании укороченных и коротких турбобуров объясняется не только ростом отклоняющей силы и снижением радиуса вписыва­ емое™ за счет уменьшения длины турбобура, но и ростом числа оборотов валов этих турбобуров.

Влияние величины подачи долота на механическую скорость бокового фрезерования

Наблюдения и опыт турбинного бурения с применением турбо­ тахометров показывает, что при равномерной подаче долота меха­ ническая скорость бурения выше, чем при неравномерной подаче. Величина и равномерность подачи долота влияет не только на ме­ ханическую скорость бурения забоя торцевой поверхностью долота, но и на механическую скорость бокового фрезерования стенки ствола. Вполне естественно, что чем меньше величина подачи до­ лота, тем меньше боковая контактная поверхность шарошек до­ лота со стенкой скважины. Следовательно, тем больше контактная нагрузка на стенки ствола и выше механическая скорость боко­ вого фрезерования и интенсивность искривления скважины от сво­

126

а следовательно, и на интенсивность искривления скважины явля­ ется малоизученным. При изучении различных вопросов самопро­ извольного искривления ствола вертикальных скважин, борьбы с ними, а также закономерностей процесса искривления наклонных скважин при работе с отклонителем и с использованием прямой трубы, не учитываются величина и равномерность подачи долота на забой.

Для установления зависимости изменения механической скоро­ сти бокового фрезерования Оф от величины подачи долота 1г были поставлены специальные эксперименты.

Во время проведения этих опытов скорость вращения и откло­ няющая сила на долоте сохранялись постоянным и путем измене­ ния величины подачи долота, т. е. толщины слоя, которую необхо-

днмо было разрушить боковыми поверхностями долот, засекалось время на единицу бокового внедрения долота.

Зависимости Оф (/г) при разрушении известняка и мрамора бо­ ковыми поверхностями трехшарошечных долот 1В-132С и 1У-97С приведены на рис. 40. Скорость вращения долота 190 об/мин, от­ клоняющая сила при разрушении известняка указанными долотами составила соответственно 135 и 62 кге, а при разрушении мра­ мора — 124 н 85 кгс.

Из рис. 40 следует, что чем меньше величина подачи долота, или, что одно и то же, толщина разрушаемого слоя, тем выше ме­ ханическая скорость бокового фрезерования. С увеличением вели­ чины подачи долота до определенного предела, зависящего от кон­ структивных особенностей шарошек долота и независящего от твердости горных пород, механическая скорость бокового фрезеро­ вания резко снижается, а затем почти стабилизируется. Характер­ ным является то, что предельное значение подачи долота, превы­ шение которого уже не оказывает влияния на механические скоро­ сти бокового фрезерования, равно длине армированного слоя с тыльной части переферийных зубьев шарошек. Выше было отме-

127

чено, что последние величины для долот 1В-132С и 1У-97С состав­ ляют соответственно 19 и 10 мм. Из графиков на рис. 40 следует, что как при разрушении известняка, так и при разрушении мра­ мора механическая скорость бокового фрезерования снижается с увеличением подачи долота до 19 мм в случае работы долотом 1В-132С и до 10 мм — в случае работы долотом 1У-97С. При даль­ нейшем увеличении h механическая скорость бокового фрезерова­ ния изменяется незначительно и стремится к стабилизации.

Изменение механической скорости бокового фрезерования от величины подачи долота (толщины разрушаемого в -боковом на­ правлении слоя) h эмпирически может быть представлено урав­ нением

Значения коэффициентов а, b и с, зависящие от механических свойств разрушаемых пород, конструктивных особенностей долот и параметров режима разрушения, для условий проведения экспе­ риментов приведены в табл. 15.

В процессе бурения с отклонителем, а также когда искривлен­ ный ствол вертикальной скважины бурят со специальным режимом с ограниченной подачей бурильной колонны для выпрямления ствола, величина подачи долота (даже если бурение осуществля­ ется рывками) не должна превышать длину армированного слоя тыльной части периферийных зубьев шарошек. Это условие явля­ ется обязательным независимо от твердости проходимых пород и механической скорости бурения. Такое требование вызывается тем, что в случае превышения указанной величины механическая ско­

лап долота будут подвергаться преждевременному износу и слому. Вполне понятно, что с уменьшением диаметра трехшарошечного долота величина подачи, с целью более интенсивного фрезерования стенки, должна уменьшаться.

128