книги из ГПНТБ / Царицын В.В. Бурение шарошечными долотами

может увеличиваться, а в других — уменьшаться в за­ висимости от соотношения между Q, п0б и осевой нагрузкой.

На основании исследований [11] и опыта бурения известно, что для числа оборотов существует крити­ ческое значение, превышение которого приводит к сни­ жению механической скорости и проходки на долото, вызываемому упрочнением горной породы. Следова­ тельно, как для роторного, так и для электро- и тур­ бинного (из-за связи Q с п0е) бурения существует пре­ дельное количество подаваемой на забой жидкости, превышение которого не рационально. Например, при бурении долотом № 12 в глинистых породах фпред = = 45 ~ 55 л/сек, а в крепких скальных породах Qnред=

==55 ч- 60 л/сек.

Всовременных условиях количество прокачиваемой жидкости ограничивается техническими возможностями, поэтому изыскание путей, способствующих улучшению очистки забоя, является первоочередной задачей. Одним из таких путей является улучшение условий подвода жидкости к забою скважины из промывочных устройств долота, а также увеличение энергии струи. В совре­ менных шарошечных долотах направление струи жид­

кости производится: 1) на шарошки; 2) на забой; 3) комбинированное — на шарошки и на забой. Наилуч­ шая очистка забоя от шлама получается при направ­ лении струи промывочной жидкости непосредственно на забой. Такая схема направления струи наиболее ра­ циональна при бурении в скальных породах при любой производительности насосов. В мягких пластичных по­ родах при бурении с большой производительностью насосов также выгоднее осуществлять промывку по указанной схеме. Шарошки очищаются сильными тур­ булентными потоками жидкости, отражающимися от

104

забоя. При малой производительности насосов [16, 30] лучше направлять струю на шарошки, так как при этом последние будут очищаться от налипающей на них вязкой породы.

Как указывалось выше, в большинстве современных долот (малых и средних размеров) поток промывочной жидкости направляется на

долота, особенно в мягких породах, зависит от энергии струи. Область, где струя

сохраняет свои первоначальные параметры (количество движущейся жидкости, скорость движения жидкости, энергию струи), согласно исследованиям [21] [рис. 49] равна шести диаметрам насадки долота. Начиная с шести диаметров насадки количество жидкости, нахо­ дящейся в движении, удваивается, а скорость движения ее и энергия струи уменьшаются. Поэтому очистку забоя

надо связывать со скоростью движения жидкости не­ посредственно под долотом у забоя.

В. С. Федоров [29] указывает, что приближение про­

ходки на долото. Наилучшие результаты работы обес­ печивают долота, у которых промывочные отверстия приближены к забою на расстояние, равное 4,8—5 диа­ метрам этих отверстий. Также установлено, что сила потока существенно зависит от конструктивных особен­ ностей сопел-насадок. Наибольшие скорости истечения жидкости, дальность полета, живую силу струи и наи­ меньшие потери давления в долоте обеспечивают на­ садки с коническим входом при угле конусности 13— 15° (см. рис. 8, б). Несмотря на это, заводы-изготовители в бескорпусных долотах обычно не применяют насадок, а отверстия, выполненные непосредственно в секциях, в большинстве случаев не имеют конусных входных кромок.

Большое распространение в последние годы, особен­ но в зарубежной практике, получили гидромониторные долота. Эти долота отличаются от обычных тем, что площадь сечения промывочных каналов в них значи­ тельно уменьшена для увеличения скорости истечения, а выходные кромки их максимально приближены к за­ бою скважины. Так как наибольший объем породы разрушается периферийными венцами шарошек долота, то промывочные каналы с помощью обводных патруб­ ков, помещаемых между шарошками, подводятся к пе­ риферии долота (рис. 50).

В гидромониторных долотах поток промывочной жидкости, направляемой из насадок с высокой ско­ ростью впереди зубьев шарошек, с большой силой уда­ ряет о забой, смывает частицы выбуренной породы и

106

создает интенсивное завихрение жидкости вокруг ша­ рошек, в результате чего забой быстро очищается.

Венгерские специалисты [7], исходя из опыта при­ менения гидромониторных долот, считают, что очистка забоя в большей степени зависит от скорости исте­ чения промывочной струи, чем от количества промы­ вочной жидкости. Поэтому для увеличения энергии потока при данном коли­ честве прокачиваемой жид­ кости целесообразно уве­ личивать ее скорость. Для этого необходимо умень­ шить диаметр насадок до­

завышенной потерей мощ­

ности на долоте.

При рассмотрении усло­ вий использования гидрав­ лической энергии в насад­ ках долота пользуются двумя теориями [18]:

1) эффект при бурении находится в прямой зави­ симости от удара струи

жидкости (динамического давления) Qv, где ѵ ■скорость истечения жидкости из насадок долота;

2) эффект зависит от величины гидравлической мощ­ ности потока в насадках Qv2.

При помощи этих теорий можно определить верхний оптимальный предел скорости истечения жидкости из

насадок и величину гидравлической мощности потока для создания в насадках необходимого перепада дав­ ления при выбранном типе буровой установки. Отсю­ да же следует, что в условиях, когда увеличение ги­ дравлической мощности в насадках ограничивается, основным фактором является уменьшение Q за счет увеличения скорости истечения жидкости из насадок. Так, если при обычном шарошечном долоте для подъема

породы на высоту шарошек за время , ю сек тре­

буется 3,2 л/сек воды, а раствора из бентонитовой гли­

твора — 3,2 л/сек. Однако при малом количестве промы­ вочной жидкости поток ее, движущийся в затрубном пространстве, будет сильно зашламляться, что может приводить к оседанию частиц выбуренной породы и образованию сальников над долотом. Приемлемой ско­ ростью восходящего потока жидкости в затрубном про­

ких скоростях восходящий поток жидкости в затрубном пространстве не будет сильно зашламляться, будет обеспечиваться удовлетворительная очистка забоя сква­ жины от шлама.

Согласно опыту бурения гидромониторными доло­ тами в США и Венгрии осевая нагрузка при увеличе­ нии скорости истечения жидкости из насадок долота должна быть увеличена, а число оборотов уменьшено. Нагрузка на долото [21,18] увеличивается пропорцио­ нально скорости истечения промывочной струи. Каждой величине скорости промывочной струи соответствует определенная критическая нагрузка на долото, превы­

108

шение которой не ведет к заметному увеличению ско­ рости бурения (рис. 51). Такая же зависимость отме­ чается и для механической скорости бурения.

Благодаря улучшен­ ной очистке забоя меха­ ническая скорость бу­ рения гидромониторным долотом значительно выше, чем обычным до-

лотом (рис. 52). При этом эффективность работу гидро­ мониторного долота увеличивается с увеличением осе­ вой нагрузки.

Важное значение, особенно для гидромониторных долот имеет расстояние насадок долота от забоя сква­ жины. Установлено, что в результате размыва струи

109

происходит уменьшение скорости движения жидкости сначала на периферийных ее участках, а затем и по оси струи [18]. Опыты показали, что уже на расстоянии 2/0 от торца насадки давление на оси струи составляет 40—45% от первона­ чального (у выходной кромки соп­ ла). Расстояния между торцом на­ садки и забоем удобно выражать в числах диаметров насадок, так как относительная длина началь­

ггеометрически подобных насадок остается неизменной. В гидромо­ ниторных долотах насадки должны

110

тельное время протекала жидкость без рассеивания струи.

Определять диаметр насадки и потери давления в насадках можно по графику (рис. 55), построенному на основании формулы

Рис. 54. Профиль насадки шарошечного долота, имеющий вход с эллиптическими кромками:

D—диаметр отверстия насадки; /VI—большой диаметр, равный 1,875 D; X — малый диаметр, равный 1,25 D; L — длина насадки,

-^- = 0,5; а — радиус входа насадки; Ь— радиус выхода насадки.

Многолетний опыт использования гидромониторных долот в США, Венгрии и Франции при роторном бу­ рении показал, что:

1) механическая скорость при гидромониторных д лотах может быть увеличена на 200—400% и больше.

111

а проходка — на 30—50%, чем при бурении обычными

112

гидромониторных долот является повышение перепада давления (до 25—75 ати) на долоте против обычных долот (5—10 ати) в 5—7 раз, что ограничивает воз­ можность их применения, особенно при турбинном способе бурения.

В Советском Союзе в течение ряда лет ведутся экспериментальные работы и промышленные испытания гидромониторных долот. Однако при турбинном буре­ нии даже в мягких породах нельзя ожидать от гидро­ мониторных долот того эффекта, который они дают при роторном бурении, по следующим причинам:

1)трудно обеспечить высокие давления насосов, необходимые при одновременном применении турбобу­ ра и гидромониторного долота;

2)из-за высоких скоростей вращения долота вызы­

бура создает дополнительный заслон из жидкости над долотом, что ухудшает условия удаления шлама с за­ боя скважины и значительно снижает количество и давление жидкости, подводимой к долоту.

Для турбинного бурения, очевидно, будет лучше, если струю жидкости с высокой кинетической энергией подводить по центру долота, где скорости вращения незначительные, или же изыскать способ подвода струи непосредственно под шарошки.

В связи с вышеизложенным следует заметить, что коэффициент К =0,65, вводимый в формулы (32), (58) при определении механической скорости бурения,

113