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

Рис. 42. Зависимости механических скоростей бурения и бокового фрезерования от соотно­

снижается, а затем начинает стабилизироваться. Причем, чем меньше число оборотов долота, тем при меньших значениях соот­ ношения Рот/Рос стабилизируется механическая скорость бурения.

С увеличением соотношения Р0т/Рос механическая скорость бо­ кового фрезерования вначале растет, а затем стабилизируется. Чем меньше число оборотов долота, тем при меньших значениях соот­ ношения Рот/Рос прекращается дальнейший рост механической ско­ рости бокового фрезерования. Прекращение роста механической скорости бокового фрезерования с дальнейшим увеличением откло­ няющей силы объясняется ограниченностью боковой фрезерующей способности трехшарошечного долота 1В-132С. Под действием от­ клоняющей силы долото фрезерует стенку скважины в боковом на­ правлении на определенную величину, а затем корпус его ограни­ чивает дальнейший процесс фрезерования, несмотря на его поддер­ жание в прежнем положении и увеличение отклоняющей силы.

В случае разрушения мрамора увеличение соотношения Р0-г/Рос от 0,02 до 0,30 снижает механическую скорость бурения и увели­ чивает механическую скорость бокового фрезерования (рис. 42, б). Здесь, в отличие от экспериментов, проведенных на известняке, не

130

наблюдается стабилизации механических скоростей бурения и бо­ кового фрезерования. Возможно, что такое явление появится при больших значениях

Графики на рис. 42 показывают, что увеличение отклоняющей силы на долоте снижает механическую скорость бурения по ги­ перболической зависимости и увеличивает механическую скорость бокового фрезерования по кривой параболы. Эмпирически зависимости Уф и vM от соотношения выражают уравне­ ниями

в эти уравнения, для условий проведения экспериментов изменя­ ются в пределах

Из изложенного следует, что при искривлении ствола для пол­ ного использования боковых фрезерующих способностей долот не обязательно иметь слишком высокие значения отклоняющей силы на долоте. Это может быть достигнуто при определенных соотно­ шениях Рот/Рос, которые зависят от конструктивных особенностей долот, механических свойств горных пород и числа оборотов до­ лота.

Влияние числа оборотов долота на механические скорости бурения и бокового фрезерования

Эксперименты для установления зависимостей изменения меха­ нических скоростей бурения и бокового фрезерования от числа оборотов долота проводили при постоянных значениях соотноше­ ния Рот!Рос. на известняке и мраморе. Разбуривали их трехшаро­ шечным долотом 1В-132С.

В случае разрушения известняка при совместном действии от­ клоняющей силы и осевой нагрузки увеличение числа оборотов долота от 50 до 400 об/мин вызывает рост механической скорости бурения (рис. 43, а). При этом начиная с « = 280 об/мин механиче­ ская скорость бурения увеличивается более интенсивно, чем при меньших скоростях вращения долота. Из рис. 43, # следует, что зависимость ом (п) представляет криволинейную функцию с пока­ зателем степени больше единицы. С увеличением числа оборотов долота в указанных пределах механическая скорость бокового фре-

верования также увеличивается, но начиная с 280 об/мин темп ро­ ста Сф от а несколько снижается.

Увеличение числа оборотов долота от 50 до 400 об/мин при разрушении мрамора также вызывает рост механических скоро­ стей бурения и бокового фрезерования (рис. 43, б). Однако в от­ личие от известняка здесь темп роста механической скорости бо­ кового фрезерования выше /г = 280 об/мин не снижается, а увели­ чивается.

При разрушении мрамора зависимости ом (п) и цф (/г) пред­ ставляют степенную функцию с показателем степени больше едп-

Характерно то, что в случае совместного действия отклоняющей силы и нагрузки, на долото при увеличении числа оборотов долота механическая скорость бурения растет в большей степени, чем ме­

лишь в 1,47 раза. В случае разрушения мрамора изменение числа оборотов долота в указанных пределах при значении соотношения Рот/Рос = 0,20 вызывает рост механической скорости бурения в 1,96 раза, в то время как механическая скорость бокового фрезе­ рования возрастает лишь в 1,37 раза. Такое явление может быть объясненотем,- что когда полностью используется боковая фрезе­ рующая способность долота и корпус его упирается в стенку сква­ жины, то-определенное время, пока долото не углубится и не поя­ вится возможность для бокового разрушения породы, фрезерова­ ниястенки не будет, что приведет к снижению Оф. Поскольку за это:Время забой разрушается, то при росте числа оборотов щ, уве­

132'

личивается в большей степени. В результате получается, что раз­ рушение забоя под действием осевой нагрузки протекает беспре­ рывно, в то время как фрезерование стенки ствола вследствие ограничивающего фактора протекает периодически. После углуб­ ления долота на определенную глубину этот цикл повторяется и т. д.

Из изложенного становится ясным, что максимальное использо­ вание боковой фрезерующей способности трехшарошечного долота в случае сравнительно высоких скоростей бурения может быть осу­ ществлено при больших числах оборотов долота. Этим и объясня­ ется относительно более высокая эффективность применения уко­ роченных и коротких турбобуров при искривлении стволов наклон­ ных скважин.

Необходимо отметить, что поскольку за каждый оборот до­ лота все три шарошки фрезеруют стенку ствола, то возможности перемещения долота в боковом направлении (в' пределах завеса шарошек) больше, чем в осевом. Это вызвано тем, что отдельные участки забоя разрушаются только отдельными венцами шарошек, за исключением периферийного участка, который разрушается пе­ риферийными зубьями всех трех шарошек. Если в результате та­ кого троекратного действия периферийных зубьев трех шарошек за каждый оборот долота кольцевая периферийная зона забоя бу­ дет разрушена на определенную величину; то это не значит, что долото сможет перемещаться в осевом направлении на такую же величину. Этому будут препятствовать центральные участки забоя. Долото переместится в осевом направлении лишь после того, как все участки забоя будут разрушены.

Учитывая изложенное выше и ограниченную боковую фрезеруг ющую способность трехшарошечных долот, можно отметить, что практикуемое при проходке наклонных скважин мероприятие, ко­ гда в случае работы с отклонителем с целью интенсивного искрив­ ления ствола снижают механическую скорость бурения, вряд ли можно считать оправданным. Достигнутые в современном состоя­ нии техники и технологии бурения наклонных скважин интенсив­ ности искривления ствола могут быть получены и при относи­ тельно больших механических скоростям бурения. Снижение ограничения механической скорости бурения при работе с откло­ нителем позволит в некоторой степени уменьшить износ элементов опоры н вооружения трехшарошечных долот и повысить их произ­ водительность.

Моментоемкость трехшарошечных долот при фрезеровании стенки ствола

Известные исследовательские и экспериментальные работы по изучению потребного вращающего момента на. долоте проводились для условии бурения вертикальных скважин.

Следуя В.. С. ..Федорову [70], можно отметить, что в процессе зарезки нового ствола, когда отсутствует осевая нагрузка на

133

долото, подводимый к нему вращающий момент Мд затрачивается на фрезерование стенки ствола Мф, на разрушение забоя в радиаль­ ном направлении Мрр (ввиду конусности шарошек и забоя), на преодоление бокового трения долота о стенки скважины Мбто (от

на вращение долота в промывочной жидкости Мг, на трение долота о стенки ствола Мтс (без Р0т), т. е.

Значения Мтс и Мг от отклоняющей силы не зависят, поэтому обозначим

м 0= м гс+ м г.

Влияние Моп и Мдоп выразим через к. п. д. долота г). Тогда вы­ ражение (91) примет вид

лений на долоте при увеличении отклоняющей силы на 1 тс, т. е. удельный момент на долоте на отклоняющую силу (на процесс фрезерования стенки ствола и бокового трения).

Момент М0 зависит от диаметров скважины и долота, коэффи­ циента трения материала долота о породу, параметров промывоч­ ной жидкости и других факторов.

В процессе зарезки нового ствола момент на долоте Мд в за­ висимости от величины отклоняющей силы будет характеризо­ ваться удельным моментом М "д, значение которого зависит от

конструктивных особенностей и состояния долота, механических свойств проходимых пород и скорости вращения долота.

На рис. 44 представлены зависимости момента на долоте от от­ клоняющей силы при фрезеровании стенки ствола в образцах из­ вестняка и мрамора боковыми поверхностями трехшарошечного долота 1В-132С при различных скоростях вращения.

Графики Мд(Рот) показывают, что с увеличением отклоняющей силы вращающий момент на долоте возрастает линейно, но с раз­ личной интенсивностью в зависимости от скорости вращения и диаметра трехшарошечного долота. При этом темп роста вращаю­ щего момента на долоте характеризуется удельным моментом на

134

отклоняющую силу М" д, который представляет угловой коэффи­ циент рассматриваемых зависимостей, т. е.

где 0 — угол наклона прямых МД(Р0т) к оси абсцисс.

Рис. 44. Зависимости момента на долоте от отклоняющей силы при боковом фрезеровании долотом 1В-132С:

о — известняка; б — мрам ора; «1=35; «2=50; л3= 80; л<=190; л5=280; лб=400 об/мин

Значения удельного момента на долоте на отклоняющую силу М"я для указанных выше типов трехшарошечных долот при фре­

зеровании стенки ствола в образцах известняка и мрамора с раз­ личными скоростями вращения представлены в табл. 16.

135

Из табл. 16 и рис. 44 следует, что с уменьшением диаметра трехшарошечного долота и коэффициента пластичности разбуривае­ мых пород, увеличением твердости последних и скорости вра­ щения долота удельный момент на долоте на отклоняющую силу снижается. Так, если при фрезеровании стенки ствола в извест­ няке боковой поверхностью трехшарошечного долота 1В-132С при скоростях вращения 50—280 об/мин удельный момент изменяется в пределах 44,4 ч-28,7 кгс- м/тс, то при фрезеровании в образце мра­ мора он изменяется в пределах 42,2ч-23,8 кгс - м/тс.

При фрезеровании стенки ствола в известняке со скоростью вращения 190 об/мин переход от долота 4В-140С к долотам

1В-132С и 1У-97С, т. е. уменьшение их диаметра в 1,06 и 1,44 раза приводит к снижению потребного удельного момента на долоте соответственно в 1,07 и 1,18 раза. Это является результатом умень­ шения высоты и шага зубьев, а также коэффициента смещения осей шарошек относительно оси долота, приводящего к снижению эффекта скалывания породы за счет скольжения шарошек.

Зависимость вращающего момента на долоте от числа оборо­ тов при фрезеровании стенки ствола в известняке и мраморе трех­ шарошечными долотами различного диаметра представлены на рис. 45, а.

Уменьшение вращающего момента на долоте с ростом числа оборотов является следствием сокращения времени контакта зубьев шарошек с породой, снижения коэффициента трения между элементами опоры долота и между долотом и породой. Причем более интенсивное снижение момента на долоте происходит в диа­ пазоне увеличения скорости вращения от 35 до 190 об/мин. В слу­ чае дальнейшего увеличения скорости вращения долота до

136

400 об/мин темп уменьшения момента на долоте несколько па­ дает.

Снижение момента на долоте от увеличения скорости вращения происходит тем интенсивнее, чем больше диаметр долота (рис. 45, б). Так, например, при фрезеровании мрамора трехша­ рошечным долотом 1В-132С и 1У-97С увеличение скорости враще­ ния долота в диапазоне 50—400 об/мин приводит к снижению мо­ мента на долоте на 57,4 и 43,7%.

В связи с установлением основных закономерностей изменения вращающего н удельного момента на долоте от основных парамет­ ров, характеризующих процесс фрезерования стенки ствола, есте­ ственно возникает вопрос, каковы соотношения удельных моментов на долоте в процессе фрезерования

никающего на долоте от осевой нагрузки, и отклоняющей силы при разбуривании мрамора трехшарошечным долотом 1В-132С со скоростью вращения 280 об/мин. Из рис. 46 следует, что удельный момент на осевую нагрузку меньше удельного момента на откло­ няющую силу. Значения этих удельных моментов для рассматри­ ваемого примера составляют соответственно 12,0 и 24,1 кгс ■ м/тс. Следовательно, потребный момент для вращения долота при откло­ няющей силе, равной осевой нагрузке, в 2 раза больше.

В результате обработки данных экспериментов по разбурива­ нию известняка трехшарошечным долотом 1В-132С при диапазоне изменения скоростей вращения долота 35ч-400 об/мин было уста­

можно прийти к выводу, что удельный момент на отклоняющую силу М" в 2—4 раза превышает удельный момент на осевую

нагрузку Л4' . Такое явление может быть объяснено ухудшением

условий работы трехшарошечного долота, в особенности его опоры, под действием отклоняющей силы, а также спецификой процесса разрушения стенки ствола тыльной частью периферийных зубьев шарошек долота.

137

При фрезеровании стенки ствола под действием отклоняющей силы потребный момент на долоте возрастает (по сравнению с разбуриванием забоя при одинаковой осевой нагрузке) вследст­ вие того, что: а) увеличивается трение между шарошками и кор­ пусом долота со стенкой скважины; б) нарушается соосность ша­ рошек относительно цапфы, что приводит к нарушению нормаль­ ного контакта между элементами опоры и беговыми дорожками цапфы и шарошек; в) увеличивается энергоемкость разрушения стенки ствола вследствие значительного превышения контактной площади тыльной части периферийных зубьев по сравнению с их торцевой поверхностью; г) благодаря качке шарошек и периодиче­ скому осевому перемещению их возникает дополнительное ради­ альное трение между элементами опоры долота п вооружением шарошек с забоем скважины.

Моментоемкость трехшарошечных долот при бурении наклонных скважин

Для создания забойного двигателя с требуемой энергетической характеристикой и проектирования оптимального режима бурения скважин важное значение имеет правильная оценка вращающего момента на долоте с учетом факторов, сопровождающих данное явление.

По вопросу вращающего момента на долоте проведен ряд тео­ ретических и экспериментальных исследований (В. С. Федоров, Г. И. Булах, Л. Е. Симонянц, Ю. Ф. Потапов, В. В. Симонов, Ю. Р. Иоанесян, Ю. В. Садыхов, М. Г. Эскин, Е. М. Соловьев, В. И. Курепин, В. С. Поляков, И. Г. Кручинин и др.), в резуль­ тате которых установлены зависимости его изменения от пара­ метров режима бурения, конструктивных особенностей долот и механических свойств проходимых пород. Все эти исследования проводились для условий бурения вертикальных скважин, когда разрушение пород происходит только под действием осевой на­ грузки. Зависимость же момента на долоте от совместного дейст­ вия осевой нагрузки и отклоняющей силы, характеризующая

мый к долоту вращающий момент Мя затрачивается на преодоле­ ние сопротивлений при разрушении забоя ЛГразр на вертикальное перемещение низа бурильной колонны М/„ на скалывание породы Мск, на торцевое трение Мтг, дополнительное разрушение частиц выбуренных пород Мдоп, трение в опорах долота М0„, вращение долота в промывочной жидкости Мг и трение долота о стенки сква­

138

стенки ствола, то при этом дополнительно затрачивается вращаю­ щий момент, т. е.

Имея в виду приведенные в предыдущем параграфе обозначе­ ния, можно написать

Принимая

где М' — прирост потребного момента на преодоление сопротив­

ления на долоте в случае увеличения осевой нагрузки на 1 тс при данной отклоняющей силе, т. е. удельный момент на долоте на осевую нагрузку в кгс • м/тс; М "а — прирост потребного момента

на преодоление сопротивлений на долоте вследствие увеличения отклоняющей силы на 1 тс при данной осевой нагрузке, т. е. удель­ ный момент на долоте на отклоняющую силу в^ гс- м/тс.

Если в процессе бурения отклоняющая сила не изменяется, то вращающий момент на долоте

Если бурят с постоянной осевой нагрузкой и при этом в опре­ деленных пределах изменяется отклоняющая сила (в результате изменения диаметра скважины, приращения угла искривления ствола, угла закручивания бурильной колонны и т. д.), то вращаю­ щий момент на долоте

Из приведенных выражений следует, что вращающий момент на долоте в зависимости от основных параметров режимов буре­ ния и искривления ствола характеризуется удельными моментами на осевую нагрузку М' и отклоняющую силу М" д.

139