7. Энергетика дробления шлама на забое скважины и очистка забоя

Обеспечение больших механических скоростей при бурении скважин невозможно при несовершенной промывки забоя скважины. Разрушение горной породы, происходящее при бурении, приводит к появлению на поверхности забоя продуктов разрушения – шлама. Плохо организованная промывка забоя скважины приводит к накоплению шлама на забое, происходит зашламование забоя. В этих условиях породоразрушающий инструмент вместо разрушения породы забоя осуществляет вторичное разрушение частиц шлама, происходит переизмельчение шлама.

Лишь при реализации совершенной очистки забоя породоразру-шающие элементы вооружения взаимодействуют не со шламом, рас-положенным на забое, а с неразрушенной горной породой забоя скважины. К реализации совершенной очистки необходимо стремиться. Для этого необходимо совершенствовать и породоразрушающий инст-румент, и промывку забоя скважины.

В реальных условиях бурения почти невозможно избежать переизмельчения уже разрушенной, но не отделенной от поверхности забоя породы. Переизмельчение горной породы в этом случае происходит в присутствии промывочной жидкости (бурового раствора). На раз-рушение шлама (дробление шлама) тратится дополнительная энергия. При дроблении частиц шлама под действием инструмента твердые частицы шлама сначала претерпевают объёмное деформирование (упругое, пластическое) и только после этого происходит разрушение.

Работу, необходимую для дробления шлама, можно разделить на две части: одна часть расходуется на деформирование твердой частицы, а другая – на образование новых поверхностей при разрушении частицы шлама. Работа упругого и пластического деформирования частицы шлама пропорциональна её объёму: W_деф = k₁V, где k₁ – коэффициент пропорциональности, равный работе объёмного деформирования единицы объёма частицы шлама, V – объём частицы.

Работа образования новой поверхности при дроблении минерала пропорциональна приращению свежей поверхности:

W_п = γ_эфф·Δs,

где Δs – прирост свежей поверхности.

Полную работу, затрачиваемую на дробление, можно выразить уравнением Ребиндера П.А.:

W = W_деф + W_п = kV + γ_эффs.

Так как объёмное деформирование пропорционально объёму нагружаемого тела V, который пропорционален кубу своего линейного размера, т.е. l³, а изменение поверхности тела пропорционально квадрату линейного размера тела, т.е. l², то выражение для полной работы дробления можно записать

W = k₁l³ + k₂l²_о = l²(k₁l + k₂ γ_эфф),

где k₂ – коэффициент пропорциональности.

Из последнего выражения следует, что при больших размерах тела, т.е. при больших значениях l, можно пренебречь величиной работы образования поверхности. В этом случае

W  k₁l³,

т.е. полная работа диспергирования определяется работой упругого и пластического деформирования образца.

При k₁ =_сж²/2E из последнего выражения получаем закон дробления Кирпичева–Кика.

При малом линейном размере разрушаемого тела полная работа диспергирования определяется работой, затраченной на образование свежей поверхности:

W  k₂l² γ_эфф,

так как в этом случае можно пренебречь работой объёмного дефор-мирования диспергируемого тела.

При измельчении частиц шлама на забое при реализации несовершенной очистки забоя частицы шлама разрушаются, в первую очередь, в местах прочностных дефектов (макро- и микротрещины). По этой причине по мере измельчения прочность частиц породы, остающихся на забое, растет (масштабный фактор). Под масштабным фактором понимают изменение прочности образца твердого тела при изменении его размера: чем больше объем образца, тем меньше его прочность. Такое изменение прочности обычно связывают с вероятностью нахождения опасного (т.е. большого по величине) дефекта в теле: чем больше объем образца, тем больше вероятность нахождения в нем опасного дефекта.

Упрочнение горной породы, связанное с масштабным фактором, наблюдается при плохой промывке забоя скважины. Уменьшение размера частиц шлама при переизмельчении горной породы cпособствует росту прочности частиц шлама (масштабное упрочнение). Руководствуясь этим, можно заключить, что энергоёмкость процесса дробления шлама на забое будет зависеть от степени измельчения породы. Увеличение дисперсности шлама на забое скважины при плохо организованной промывке приводит к большому расходу энергии при их дальнейшем дроблении.

По размеру частиц шлама, возникающих в процессе бурения скважины, можно судить, в определенной степени, об эффективности бурения скважины. Преобладание мелкой фракции в продуктах разрушения свидетельствует о плохой промывке забоя и низкой эффективности разрушения горных пород на забое.

Эксперименты и имеющийся опыт бурения показывают, что лучшая очистка забоя и вынос шлама из скважины происходит при следующих значениях сомножителей, определяющих величину удельной гидравли-ческой мощности:

• удельный расход Q/S = (0,35 – 0,7) м³/с·м²;

• величина скорости бурового раствора при истечении из насадков V = (80 – 120) м/с; 

• число Рейнольдса в насадках долота должно быть не меньше 10⁵. Другими словами, режим течения бурового раствора под долотом должен быть турбулентным. В этом случае обеспечиваются наиболее благоприятные условия для удаления шлама с забоя и выноса его в кольцевое пространство. Создаются радиальные потоки раствора, увеличива-ющие величину сил, удаляющих шлам с забоя;

• перепад давления на насадках долота должен составлять не менее (50 – 60) % от давления, развиваемого буровым насосом при циркуляции;

• потери давления в кольцевом пространстве скважины должны быть минимальными. Это означает, что  режим течения в кольцевом пространстве должен быть ламинарным.