4. Влияние параметров режима бурения и забой-ных условий на разрушение горных пород при буре-нии

4.1. Влияние параметров режима бурения на механическую скорость

Каждый параметр режима бурения (F, n, Q) влияет на эффективность разрушения горных пород по-своему, причем влияние изменения одного из параметров на изменение механической скорости зависит от фиксированной величины других параметров. Причем, то или иное значение механической скорости бурения V_мех зависит не только от эффективности разрушения горных пород на забое скважины (это лишь одно из условий роста механической скорости), но и от совершенства очистки забоя от шлама, эффективности выноса шлама на поверхность.

Необходимость увеличения механической скорости бурения очевидна: согласно оценкам, проведенным специалистами Башкирской буровой шко-лы, возрастание V_мех в два раза снижает стоимость 1 м проходки на 50 %, увеличение же стойкости долота снижает стоимость 1 м проходки только на 11 %.

4.1.1. Влияние осевого усилия. При механическом способе разру-шения горных пород основная доля энергии расходуется на внедрение породоразрушающих элементов вооружения в горную породу. Величина давления, создаваемого породоразрушающим инструментом на забое скважины, определяется не только величиной осевого усилия F, но и значением контактной площади S_к данного долота. Под контактной площадью понимается сумма площадей всех зубьев на всех шарошках, контактирующих в данный момент с горной породой забоя скважины (для шарошечных долот), сумма площадей торцовой поверхности лопастей (для лопастных долот). Величина контактной площади всех долот (шарошечных, лопастных, алмазных) табулирована.

При увеличении контактного давления P_к = F / S_к, линейно зависящего от осевого усилия, разрушение на забое происходит по-разному:

а) Р_к > Н. В этом случае под пятном контакта возникает объемное разрушение горных пород. Оно характеризуется тем, что возникает при единичном взаимодействии породоразрушающего элемента с данной “точкой” поверхности горной породы. Возникающие частицы шлама име-ют максимальную величину. Разрушение при выполнении приведенного условия является наиболее эффективным.

б) Р_к < Н. При такой величине контактного давления возникает усталостно-объемное разрушение горной породы. Непременным условием возникновения разрушения является неоднократное действие породо-разрушающего элемента на одну и ту же точку забоя. Разрушение при этом связывают с развитием трещин в горной породе под пятном контакта при каждом ударном цикле нагружения. Вид лунки выкола такой же, какой возникает при объёмном разрушении.

Количество циклов нагружения n, необходимое для разрушения горных пород, зависит от их механических свойств: с увеличением хрупкости пород величина n меньше. Зависимость между величиной контактного давления P_к и количеством циклов нагружения n , необходимых для разрушения породы, имеет вид (Рис. 23). Эта уста-лостная кривая описывается уравнением

Р_к^mn = С,

гдеm - показатель степени, С = const - постоянная усталостной кривой.

Чем больше P_к, тем меньше необходимо создать циклов нагружения для разрушения горной породы.

Минимальное контактное давление, вызывающее усталостное разрушение при циклическом нагружении при выполнении условия Р_к < Н, называется пределом усталости горной породы Р_ус. Считаетcя, что

Р_ус = (1/20  1/30)Н.

Установлено (Жлобинский Б.А.), что механизм усталостно-объёмного разрушения горных пород похож на механизм разрушения хрупких горных пород при статическом вдавливании индентора: лунка выкола возникает вследствие раздробления горной породы под пятном контакта, передачи давления от индентора на окружающую породу и возникновения вокруг пятна контакта овальной (если индентор имеет прямоугольную площадку вдавливания) или круглой (при цилиндрическом инденторе) трещины, последняя стадия разрушения связана с раздавливанием уплотненного ядра под индентором и образованием лунки.

в) Р_к  Н. Это условие является условием поверхностного разрушения горной породы в результате истирающего действия инструмента. Скорость бурения при выполнении этого неравенства незначительна. Размер частиц шлама незначителен.

Зависимость механической скорости бурения от величины осевого усилия F (контактного давления Р_к) при фиксированной скорости вращения имеет вид (Рис. 24).

Представленное на рис. 24 изменение механической скорости бурения от величины осевого усилия указывает на различный механизм разрушения горных пород в трех областях изменения F (или Р_к). При малых нагрузках (участок I) зависимость V_мех = f(F) линейная: прямая выходит из начала координат. Угол наклона прямой к оси F характеризует

интенсивность изменения механической скорости при росте осевого усилия. Касательная к кривой, проведенная на участкеII, свидетельствует о том, что в этом диапазоне изменения осевого усилия прирост меха-нической скорости больше, чем на первом участке (касательная отсекает от оси F положительный отрезок). На участке III угол наклона касательной меньше, чем на участке II, что свидетельствует о том, что на третьем участке изменение V_мех при росте F меньше, чем на втором участке (касательная отсекает от оси F отрезок, расположенный левее начала коор-динат).

Часто зависимость V_мех = f(F) представляют в виде степенной зави-симости

V_мех = кF^a.

При a = 1 из этого выражения получаем связь между V_мех и F для участка I, при а > 1 – для второго, а < 1 – для третьего участка.

При бурении скважины выбранное значение осевого усилия может обеспечить появление любого из приведенных участков. Рекомендация увеличивать величину осевого усилия F для реализации объемного разру-шения не всегда оправдана, т.к., во-первых, часто при больших усилиях начинается интенсивный износ долота, приводящий к снижению V_мех, во-вторых, бурение при меньщих осевых нагрузках, сопровождаемое сниже-нием механической скорости, часто приводит к достижению положитель-ного результата, например, росту проходки на долото, росту рейсовой и коммерческой скорости, снижению себестоимости метра проходки. Cледует иметь в виду и следующее: увеличение осевого усилия приводит к росту интенсивности искривления скважины, что связано с возрастанием отклоняющей силы при увеличении прогиба КНБК, большим разрушением стенки скважины.

Приведенное на рис.24 изменение механической скорости отличает не только бурение скважин шарошечным, но и лопастным долотом. Причем, в последем случае области разрушения I, II, III определены точнее.

При осевом усилии на долото F 0,4HS_к, где S_к —площадь контакта данного лопастного долота с породой на забое, зависимость механической скорости бурения от осевого усилия линейная, но увеличение механической скорости незначительно. При F = (0,4  0,6)HS_к прирост осевого усилия превышает увеличение механической скорости, рост механической скорости происходит по степенному закону; разрушение горной породы реализуется в усталостном режиме.

При изменении осевого усилия в диапазоне (0,6  0,9)HS_к прирост механической скорости опережает прирост осевого усилия на долото. В этом диапазоне изменения осевого усилия разрушение горной породы происходит в объёмном режиме. Максимального значения механическая скорость имеет при достижении механическим усилием значения (1,0  1,1)HS_к. Но вести бурение при такой нагрузке нецелесообразно по следующей причине: происходит поломка лопастных долот и бурового оборудования, искривление ствола скважины.

Выбор параметра режима бурения – осевой нагрузки на долото – по диаграмме V_мех = f(F) не гарантирует от ошибок.

В настоящее время при бурении чаще всего реализуется поверхностное (при турбинном бурении) и усталостно-объемное разрушение горных по-род. Связано это, в основном, с тем, что материал, из которого изготав-ливается породоразрушающий инструмент, меньше изнашивается при реализации усталостно-объёмного разрушения.

Контроль за величиной F при бурении скважины реализуется с помощью индикаторов веса гидравлических (ГИВ), электрических (ЭИВ), которые устанавливаются на неподвижном конце талевого каната.

4.1.2. Влияние частоты вращения долота. Общий вид зависимости V_м = f(n) хорошо известен из работ В.С.Федорова (рис.25). На кривой выделяются два линейных участка: начальный и конечный. На этих участках V_м изменяется пропорционально n, что свидетельствует о посто-

янстве проходки за оборот .

Основными факторами, определяющими вид кривой V_м = f(n), явля-ются следующие: время контакта _к зуба шарошечного долота с горной породой и число поражений забоя зубьями долота. С увеличением частоты вращения n возрастает число поражений забоя зубьями шарошечного долота, возрастает скорость соударения. Это обеспечивает рост механи-ческой скорости бурения. Но одновременно с этим увеличение n обес-печивает и снижение времени контакта _к , что снижает эффективность разрушения горных пород и, как следствие, механическую скорость.

На участке кривой V_м = f(n), расположенном между начальным и конечным линейными участками, изменение механической скорости, происходящее при постоянной осевой нагрузке, но росте частоты враще-ния, характеризуется снижением темпа прироста механической скорости. При определенной частоте вращения n_кр наблюдается резкое снижение темпа прироста механической скорости. Это происходит вследствие резкого уменьшения глубины внедрения зуба долота в горную породу за один оборот, снижения времени контакта зуба долота с забоем скважины.

Энергоемкость разрушения возрастает. По этой причине бурение скважи-ны с частотой вращения n > n_кр нерационально. При данном значении осевого усилия увеличение n долота с целью повышения механической скорости целесообразно лишь до тех пор, пока возрастает рейсовая скорость бурения.

Обладая технологической информативностью, зависимость V_м = f(n), тем не менее, не может быть гарантом выбора рекомендуемого значения частоты вращения n.Тому есть причина: отсутствие приборов, надежно контролирующих частоту вращения. В роторном бурении частота враще-ния долота равна частоте вращения ротора и может быть измерена тахо-метром достаточно точно. Для измерения частоты вращения долота в турбинном бурении используется турботахометр, датчик которого устанавливается в верхнем узле турбобура и соединяется с валом последнего. Работа турботахометра основана на фиксации специальной аппаратурой, устанавливаемой на вертлюге, импульса давления, формируемого при кратковременном перекрытии трубного пространства через каждые 10 оборотов вала турбобура. Каналом связи служит гидравлический канал внутри бурильной трубы. Особенностью гидрав-лического канала связи является существенное затухание энергии сигнала в связи с потерями на трение у стенок колонны и наличие помех, соз-даваемых работающим буровым насосом.

С увеличением глубины скважины в большей степени проявляются пластические свойства горных пород, требуются большие деформации до разрушения и большая длительность контакта зубьев долота с забоем. Это вызывает необходимость снижения частоты вращения долота с углубле-нием скважины. Существует и другая причина, по которой необходимо снижать величину n при росте глубины скважины: значительный рост мощности, необходимой для привода ротора, с увеличением n и увеличением глубины скважины из-за роста потерь на трение бурильной колонны о стенку скважины.

Частота вращения инструмента оказывает существенное влияние на качественный отбор керна. Повышение частоты вращения всегда обес-печивает снижение интенсивности искривления скважины.

4.1.3. Влияние интенсивности промывки забоя скважины. Цир-куляция промывочной жидкости при бурении скважины должна обес-печить очистку забоя от частиц разрушенной горной породы, предот-вратить вторичное перемалывание этих частиц. Именно по этой причине проектирование режима очистки забоя скважины промывочной жидкостью является составной частью проектирования параметров режима бурения.

С возрастанием расхода Q улучшается очистка забоя, следовательно, повышается эффективность работы долота. Но в то же время увеличи-ваются потери давления в кольцевом пространстве пропорционально Q². Это приводит к росту гидродинамического давления на забой, создаются неблагоприятные условия для отрыва шлама от поверхности забоя, снижается механическая скорость бурения. Другими словами, отрица-тельным последствием интенсификации промывки скважины может стать увеличение дифференциального давления на забое скважины и, как следствие, ухудшение условий разрушения горной породы.

Отмеченное двоякое влияние производительности циркуляции промывочной жидкости на скорость бурения отражено формулой, предло-женной В.С. Федоровым:

V_м = Q /(a + bQ),

где a, b - параметры, зависящие от свойств разбуриваемых горных пород,

промывочной жидкости и конструкции долота (Рис.26).

Для улучшения очистки забоя скважины следует стремиться не к бесконечному увеличению производительности циркуляции, а добиваться этого использованием насадков уменьшенных диаметров, приближенных к забою, созданием потоков промывочной жидкости вдоль поверхности забоя, обеспечивающих отрыв частиц шлама от забоя, введением в промывочную жидкость смазывающих добавок, снижающих величину сил, удерживающих частицы шлама на забое и пр.

Согласно исследованиям отечественных ученых, удельный расход промывочной жидкости, подаваемой на забой скважины, для шарошечных и лопастных долот должен составлять (0,057 ÷ 0,065) л/(с·см²), и для алмазных – (0,06 ÷ 0,1) л/(с·см²).

Особо подчеркнем, что увеличение механической скорости бурения применением гидромониторных насадков обеспечивается не дополни-тельным разрушением горной породы забоя высоконапорными затоплен-ными струями промывочной жидкости, а улучшением очистки забоя от шлама при использовании гидромониторных насадков. Для успешного механогидравлического воздействия на горную породу забоя скважины и разрушения горной породы струей жидкости, вытекающей из насадков необходимо значительно увеличить скорость истечения затопленной струи из насадков (довести скорость истечения струи до нескольких сотен метров в секунду), воздействовать струей на ту часть площади забоя, на которую воздействует зуб долота.

При бурении мягких горных пород повышение расхода промывочной жидкости приводит к размыву стенки скважины, что может обеспечить рост интенсивности искривления скважины. Введение в промывочную жидкость смазывающих добавок снижает трение инструмента о горную породу стенки скважины, что способствует меньшему ее разрушению и обеспечивает меньшее искривление скважины.

Завершая разговор о влиянии расхода промывочной жидкости на величину механической скорости, отметим, что практика бурения скважин с высокими механическими скоростями бурения (свыше 10-15 м/ч) в Западной Сибири обнаружила влияние “утяжеления” восходящего потока промывочной жидкости с увеличением концентрации шлама в ней на величину механической скорости. Это позволяет ставить задачу опти-мизации расхода промывочной жидкости с целью минимизации гидро-динамического давления на забой скважины.

Измерение расхода промывочной жидкости осуществляется индук-ционными расходомерами РГР-7, РГР-100, принцип действия которых основан на явлении электромагитной индукции и обеспечивает контроль расхода только электропроводящей промывочной жидкости.

4.1.4. Взаимосвязь параметров режима бурения и технико-эконо-мических показателей. При фиксированной частоте вращения долота n = const, но постоянном росте величины осевого усилия F при роторном бурении наблюдается увеличение механической скорости, происходит резкое снижение долговечности долота; проходка на долота возрастает, но при достижении осевым усилием величины F_кр происходит снижение величины проходки на долота: имеется оптимальное значение осевой нагрузки, при которой проходка на долото достигает наибольшей величи-ны.

При фиксированном значении осевого усилия F = const , но возрас-тающей частоте вращения n, происходит резкое снижение долговечности долота, изменение механической скорости бурения происходит аналогично тому, как указано на рис.26; существует значение n_кр , при котором реализуется наибольшая проходка на долото: имеется оптимальное значение частоты вращения, при которой проходка на долото достигает наибольшей величины.

При турбинном бурении с ростом осевой нагрузки происходит снижение частоты вращения, механическая скорость бурения и проходка на долото возрастают до определеного значения, но затем с ростом F они уменьшаются.

Анализ взаимосвязи параметров режима бурения с его технико-эко-номическими показателями позволяет сделать следующие выводы:

▪ в роторном бурении параметры режима бурения F, n, Q при регу-лировании не зависят друг от друга, т.е. при бурении их можно изменять независимо. Это является большим преимуществом роторного способа бурения. На практике из трех основных режимных параметров основное внимание уделяется F и Q. В целях увеличения долговечности долота при возрастании осевой нагрузки снижают частоту вращения долота и нао-борот, это означает, что параметром режима бурения может служить произведение n·F.

▪ при турбинном способе бурения управлять можно только осевой нагрузкой на долото F, которая определяется так же, как и в роторном бурении. Частота вращения долота является функцией Q и F: n = n(Q, F). Например, рост осевого усилия вызвает повышение момента М_д, при этом n cнижается. В явном виде указанная зависимость имеет вид

n = n_х( 1 - ),

где n_х – частота вращения при холостом ходе турбобура, М_т – тормозной момент турбобура. Связь между М_д и n определяется рабочей харак-теристикой турбобура, которая зависит от величины расхода Q и плотности промывочной жидкости ρ_ж. Расход промывочной жидкости должен быть достаточен для того, чтобы гидравлический забойный двигатель мог развивать момент М_д, необходимый для вращения долота при заданном значении осевого усилия F. По этой причине интенсивность промывки Q является основным режимным параметром.

Независимо от способа бурения для выбора оптимальных режимных параметров используются результаты исследований бурения опорно-технологических скважин на данной площади.