- •В.Д. Евсеев физика разрушения горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин
- •Введение
- •1. Горная порода – объект разрушения
- •Характеристика сил связи в структуре горной породы
- •1.2. Классификация горных пород академика Сергеева е.М.
- •1.3. Твердая компонента горной породы
- •1.4. Жидкая компонента горной породы
- •Сравнение физических свойств керосина и воды
- •1.5. Пористость и проницаемость горных пород
- •1.6. Горная порода как многокомпонентная система
- •2. Горная порода – сплошная среда
- •2.2. Инвариантные соотношения для напряжений и деформаций при различных напряженных состояниях
- •Значения обобщенных напряжений
- •Значения обобщенных деформаций
- •2.3. Энергия изменения формы и объёма при деформировании
- •2.4. Геометрическая интерпретация напряженного состояния
- •2. Реология горных пород
- •3.1. Аксиомы реологии. Виды идеальных деформаций
- •Реологическая диаграмма жестко-пластического тела Сен-Венана приведена на рис. 7.
- •3.2. Сложные реологические тела
- •3.3. Особенности ползучести горных пород
- •3.4. Реологические параметры, модули деформации и их определение
- •Величина коэффициента сжимаемости минералов, горных пород и жидкостей
- •4. Теории прочности
- •Сравнение прочности горных пород при различных испытаниях
- •4.1. Механическая теория прочности Кулона
- •4.2. Механическая теория прочности Кулона–Навье
- •4.3. Энергетическая теория прочности Гриффита а.А.
- •4.4. Кинетическая теория прочности
- •5. Деформационное поведение горных пород при различных напряженных состояниях
- •5.1. Развитие разрушения и определение прочности при одноосном растяжении и сжатии образцов горных пород
- •5.2. Разрушение образцов горных пород при трехосном сжатии
- •6. Особенности механического воздействия на горную породу забоя скважины при бурении
- •Число ударов m в минуту зубьев венца шарошки по горной породе забоя определяется по формуле
- •6.1. Особенности разрушения образцов горной породы при динамическом приложении нагрузки
- •6.1.2. Показатели динамических свойств горных пород. К показателям динамических свойств горных пород относят следующие:
- •Условие
- •6.2. Разрушение образцов горной породы при статическом вдавливании инденторов
- •Сфера. При контактировании сферы радиуса r с упругим полупространством образуется контактная площадка радиуса
- •Классификация горных пород по величине твердости и условного предела текучести
- •Вдавливание сферы и усеченного конического индентора. Главной особенностью вдавливания инденторов такой геометрии в горную породу является увеличение площади контакта индентора с горной породой.
- •6.3. Разрушение горной породы забоя скважины сдвигом
- •7. Энергетика дробления шлама на забое скважины и очистка забоя
- •8. Влияние параметров режима бурения и забойных условий на разрушение горных пород
- •8.1. Параметры режима бурения и показатели работы долот
- •8.2. Влияние параметров режима бурения на механическую скорость
- •8.3. Взаимосвязь параметров режима бурения и технико-экономических показателей
- •8.4. Влияние забойных условий на разрушение горных пород при бурении
- •8.4.1. Влияние гидростатического давления. Величина гидростатического давления, действующего на горную породу забоя скважины, для вязкой жидкости определяется выражением
- •Заключение
- •Список литературы
- •Содержание
- •6. Особенности механического воздействия на
- •7. Энергетика дробления шлама на забое
- •8. Влияние параметров режима бурения и
- •Физика разрушения горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин
8.3. Взаимосвязь параметров режима бурения и технико-экономических показателей
При роторном способе бурения при фиксированной частоте вращения долота n = const, но при росте величины осевого усилия F наблюдается
• увеличение механической скорости;
• резкое снижение долговечности долота;
• рост проходки на долото, но при достижении осевым усилием величины Fкр происходит снижение проходки на долото: имеется оптимальное значение осевой нагрузки, при которой проходка на долото достигает наибольшей величины (рис. 41).
Рис. 41. Закономерности
изменения показателей бурения при
n
= const
при роторном способе бурения
• происходит резкое снижение долговечности долота;
• изменение механической скорости бурения происходит аналогично тому, как указано на рис. 42;
F
= const
Рис. 42. Закономерности
изменения показателей бурения
при F
= const
при роторном способе бурения
При турбинном бурении с ростом осевой нагрузки
• происходит снижение частоты вращения долота,
• механическая скорость бурения и проходка на долото возрастают до своих максимальных значений:
V = Vmax при F = F1;
h = hmax при F = F2, F1 < F2,
но с последующим ростом F они уменьшаются. Оптимальный режим бурения, обеспечивающий меньшие сроки бурения скважины, будет достигнут при осевой нагрузке F, удовлетворяющей условию
F1 < F < F2.
Анализ взаимосвязи параметров режима бурения с его технико-экономическими показателями позволяет сделать следующие выводы.
При роторном бурении параметры режима бурения F, n, Q при регулировании не зависят друг от друга, т.е. при бурении их можно изменять независимо. Это является большим преимуществом роторного способа бурения. Но нужно понимать и наличие связи между параметрами режима бурения: увеличение осевого усилия F , например, способствуя повышению эффективности разрушения горной породы, требует роста и расхода Q (к изменению Q в зависимости от роста n это относится, по понятной причине, в меньшей степени). На практике из трех основных режимных параметров основное внимание при роторном способе бурения уделяется двум – F и Q.
В целях увеличения долговечности долота при возрастании осевой нагрузки рекомендуется снижать частоту вращения долота и наоборот, это означает, что параметром режима бурения может служить произведение двух режимных параметров n·F.
При бурении слабо сцементированных, малоабразивных горных пород целесообразно применять большие частоты вращения, но пониженные осевые нагрузки; если же разбуривается скальная горная порода, то верхнему уровню осевых нагрузок на долото должен соответствовать нижний уровень частот вращения.
При разбуривании абразивных, трещиноватых горных пород целесообразно снижать частоту вращения ротора во избежание повышенного износа и разрушения вооружения долота, герметизирующих элементов опор шарошек и пр.
При использовании долот второго класса (долота с твердосплавным вооружением) и герметизированными опорами режим бурения должен выбираться таким, чтобы не допускались вибрация бурильной колонны, неравномерное вращение и подача долота, резкие торможения и остановки: это приводит к разрушению твердосплавных зубков и прежде-временному выходу из строя герметизирующих элементов и опор в целом.
Для подавления возникающих при бурении скважины вибраций необходимо уменьшать осевую нагрузку или изменять частоту вращения ротора.
При использовании в качестве буровых агентов воздуха или газа нагрузка на долото и частота его вращения должны быть меньшими по сравнению с таковыми при бурении скважин с промывкой забоя водой. Это объясняется низкой очищающей способностью воздушной струи. Недостаточная подъемная способность воздуха должна компенсироваться высокой скоростью движения в кольцевом канале (5 – 8 м/с).
Рис. 43. Закономерности
изменения показателей бурения при
турбинном способе
бурения
Механическая скорость бурения при фиксированных значениях осевого усилия F и частоты вращения n растет с увеличением гидравлической мощности на долоте, т.е. с ростом Q и скорости истечения жидкости из насадков долот Vo.