БТЖ и ФРГП на весну 16 года / БТЖ - лекции_2015 / СулакшинЧубик

изводственной единицы (партии, экспедиции, конторы бурения, треста), за период одного календарного года работы:

где νп – парковая скорость, м/ст.-мес; Lоб – общая длина всех пройденных за год скважин (объем бурения), м; Nср – среднегодовое количество буровых установок в производственной единице, шт.; η – среднегодовая продолжительность эксплуатации бурового парка, мес.

Парковая скорость характеризует общий уровень использования буровой техники, состояние ремонтной службы, службы обслуживания буровых работ, т. е. уровень работы производственной единицы в целом.

Анализируя рассмотренные показатели (скорости), нетрудно выяснить основные факторы, определяющие уровень выполнения тех или иных процессов, связанных с сооружением скважин, и пути его повышения. Все рассмотренные скорости зависят, прежде всего, от эффективности разрушения породы (механической скорости бурения) и эффективности выполнения вспомогательных работ, сопутствующих бурению.

Эффективность выполнения вспомогательных работ в свою очередь зависит от совершенства применяемой при бурении скважин техники (технической характеристики и качества бурового оборудования), квалификации бурового персонала и рациональности организации труда на различных этапах выполнения работ, что не является предметом рассмотрения в данном случае.

Эффективность разрушения пород с различными механическими свойствами, характеризуемая механической скоростью бурения, определяется целым рядом факторов, основными из которых являются: способ разрушения пород и уровень расходуемой на этот процесс энергии; конструкция и качество породоразрушающего инструмента; технология процесса разрушения пород и режимы бурения.

Все перечисленные факторы связаны вполне определенными зависимостями, только глубокое знание которых позволяет выбрать наиболее рациональное их сочетание, обеспечивающее максимальный эффект.

Действительно, хорошо представляя основные свойства горных пород и зная особенности того или иного способа их разрушения, можно научно обоснованно выбрать способ, технические средства и наметить рациональную технологию бурения скважин.

1.3. Методы, процессы, способы разрушения горных пород

ибурения скважин, их классификация и общая характеристика

1.3.1. Общие сведения о методах, процессах, способах РГП при бурении скважин и их классификация

Разрушение горных пород (РГП) может происходить с реализацией различных процессов: механических, физических и физико-химических [3, 4, 5, 6, 7].

Процесс механического разрушения заключается в разделении некоторого объема твердого тела (породы) под действием силового поля на элементы – частицы небольшого размера, за счет разрыва связи между ними. Происходит такой процесс

11

при создании концентрированных напряжений, превышающих сопротивление сил внутренних связей в некотором объеме твердого тела.

Разрушающие напряжения могут при этом формироваться под воздействием внешних сил, прикладываемых к внедряемому в породу специальному инструменту (индентору), обладающему обычно большей прочностью, чем сама порода.

Кроме того, процесс механического РГП может быть вызван и без специального инструмента – иными средствами, например с помощью высоконапорной струи жидкости, действием взрывной волны или гидравлического удара.

Наряду с этим разрушающие напряжения могут создаваться и в результате действия механических сил, возникающих внутри образца породы, например, при его нагревании или действии высоковольтного импульсного очень короткого разряда электрического тока большой мощности.

Следует подчеркнуть, что разрушение породы во всех перечисленных случаях представляет собой в конечном итоге процесс механического нарушения ее сплошности в том или ином объеме с отделением некоторых элементов – частиц или кусочков без изменения состава и свойств самой породы (ее природы). Поэтому протекающие при таких способах воздействия на породу процессы разрушения отно-

сятся к процессам физико-механического характера.

Разрушение породы может происходить и с коренным, глубоким изменением ее качества или состава и состояния вследствие действия химических или физикохимических процессов, таких как плавление, горение или растворение самой породы на уровне разрушения молекулярных связей. При этом определенный объем горной породы переходит в иное состояние, пароили газообразное, другую модификацию с иными свойствами, в расплав или раствор и др.

Метод разрушения пород, при котором возникают такие процессы, может быть назван физико-химическим.

Очевидно, отнесение к той или иной группе любого способа разрушения пород следует делать, руководствуясь процессом, который является главным, превалирующим в том или ином случае.

Таким образом, в основу классификации методов и способов РГП могут быть положены 3 признака:

•первый – характер процесса, протекающего при разрушении породы, т. е. сам механизм ее разрушения;

•второй признак – это средство воздействия на породу при ее разрушении:

сприменением породоразрушающего инструмента (ПРИ) и без него;

•третий признак – вид применяемой энергии (механическая, гидравлическая, тепловая, электрическая, атомная или химическая).

Используя первый признак, можно выделить два основных метода разруше-

ния пород: физико-механический метод, заключающийся в механическом нару-

шении связей между частицами без изменения состава разрушаемого материала, и физико-химический (или химический), когда нарушение связей происходит с изменением природы (состава) разрушаемого материала (табл. 1.1).

Реализация физико-механического метода РГП может осуществляться с использованием различных видов энергии и средств: механической (силовое поле), тепловой (ниже температуры плавления породы), электромагнитной, гидродинамической, электрической, энергии взрыва и др.

12

При этом реализация того или иного вида энергии может осуществляться либо с применением специальных породоразрушающих инструментов, либо без них. В конечном счете в этих случаях порода разделяется на элементы под действием силового поля, т. е. чисто механически.

Таблица 1.1

Схема классификации методов и процессов разрушения горных пород (по С.С. Сулакшину)

При использовании ПРИ процессами разрушения породы являются (см. табл. 1.1): смятие породы, раздавливание, дробление, скалывание, сдвиг, отрыв элементов, резание, истирание (износ) и др. При РГП без ПРИ реализуются такие процессы разрушения, как шелушение породы, растрескивание, раскалывание, размывание и др.

Физико-химический метод разрушения осуществляется без ПРИ, с использованием других видов энергии (физического или химического характера): термическая (сверхвысокое температурное поле); термоплазменная; термоядерная; элек- тронно-лучевая; химическая и др. Разрушение горных пород при использовании таких видов энергии характеризуется и определенными процессами (см. табл. 1.1): плавление породы, горение, испарение, растворение.

Второй и третий признаки могут быть положены в основу классификации спо-

собов РГП (табл. 1.2).

К первому классу в предлагаемой классификации способов РГП относится группа способов, широко применяемых в практике бурения разведочных скважин, именуемых обычно механическими способами (см. табл. 1.2). Сюда входят такие способы, при которых процессы разрушения связаны исключительно с проявления-

13

ми механических свойств пород (прочность, твердость, хрупкость, пластичность, абразивность и т. д.).

При этом напряжения в породе, превышающие ее прочность, создаются механическими средствами: давлением, ударами, вибрацией и вращением породоразрушающего инструмента в забое.

Таблица 1.2

Схема классификации основных способов разрушения горных пород (по С.С. Сулакшину)

Врезультате силового воздействия в породе протекают физические процессы чисто механического разрушения твердого тела: смятие и раздавливание, дробление, скалывание, резание и др.

Практически эти процессы реализуются при использовании специальных породоразрушающих инструментов: режущего, режуще-скалывающего, режущераздавливающего, режуще-истирающего, раздавливающего, дробяще-скалываю- щего действия и др., разрушающих породу при действии некоторого усилия (нагрузки) статического или динамического характера.

Во второй класс попадает пять групп способов, при реализации которых разрушение пород происходит как под действием силового поля, создаваемого без использования специальных породоразрушающих инструментов, так и под действием непосредственно физического или вещественного поля. В последнем случае разрушение происходит за счет физико-химических процессов, протекающих под действием, например, сверхвысокой температуры или при растворении вещества, образующего породу (см. табл. 1.2).

Вслучае механического РГП силовое воздействие на породу создается с использованием физических полей, например теплового (до температуры плавления),

14

вызывающего расширение породообразующих минералов, с чем связано образование силового поля внутри некоторого объема породы, приводящего к разрыву внутренних связей в минеральной массе. Это приводит к образованию трещин в породе и чисто механическому ее разрушению на отдельные элементы.

Образование силовых полей может быть связано также с действием высоконапорной струи раскаленного газа (воздуха); высоконапорной струи жидкости, движущейся с большой скоростью; с помощью гидравлического удара; высоковольтного электрического разряда в породе (пробой диэлектрика) и другими способами.

Кроме того, как уже отмечалось ранее, РГП без породоразрушающего инструмента можно получить при реализации физико-химических процессов: плавления, испарения, горения или растворения породы.

С использованием рассмотренных признаков была разработана классификация всех известных способов РГП и бурения скважин, применяемых или предлагаемых к применению (табл. 1.3).

Таблица 1.3

Классификация способов разрушения пород и бурения скважин (по С.С. Сулакшину)

15

Как видно, в этой классификации выделено три класса способов РГП и бурения скважин: I – c применением ПРИ, II – без применения ПРИ и III – комбинированные способы, представляющие собой комбинации из способов I и II классов.

Первый класс приведенной классификации включает одну группу механических способов РГП и семь основных разновидностей способов бурения скважин с применением ПРИ: ударный, вращательный, вращательно-ударный, ударновращательный, вибрационно-вращательный, вибрационный и способ задавливания ПРИ. Суть этих способов бурения видна из их наименования и приведенного ранее анализа.

Ко второму классу относится пять групп способов РГП без ПРИ: гидравлические; термические; взрывоударные; электроимпульсные и растворением породы. В каждую из этих групп входит то или иное количество способов бурения без применения ПРИ.

Наконец, в третий класс включено три группы, а может быть и более, комбинированных способов РГП и соответствующее количество возможных способов бурения.

Следует отметить, что количество способов бурения скважин может быть значительно большим, но каждый новый способ будет относиться к определенному классу и группе по рассмотренным ранее признакам.

16

1.3.2. Общая характеристика современных способов разрушения горных пород

Способы разрушения горных пород с применением породоразрушающих инструментов

Группа механических способов разрушения пород

Разрушение пород при реализации механических способов, как было отмечено ранее, осуществляется с помощью специальных породоразрушающих инструментов, приводимых во вращательное или возвратно-поступательное движение.

По характеру действующих при этом нагрузок выделено четыре основных и несколько комбинированных способов разрушения пород: ударный, вращательный, вращательно-ударный, ударно-вращательный, вибрационный, вибрационновращательный, виброударный и способ задавливания инструмента (см. табл. 1.3).

При ударном или ударно-поворотном способе разрушение породы происхо-

дит путем нанесения ударов породоразрушающим инструментом (долотом или шарами) с определенной силой РД и скоростью. После каждого удара долото поворачивается на некоторый угол β без нагрузки (рис. 1.1, а). Здесь реализуется процесс дробления, скалывания и смятия породы. По этому признаку такой ПРИ относится к инструменту дробяще-скалывающего действия (ДрСкД).

Рис. 1.1. Схемы разрушения горных пород при механическом способе бурения скважин:

а − ударном: 1 − ударный снаряд; 2 − площадь разрушения породы в забое при ударе; β − угол поворота долота после каждого удара; б − разрушение породы

при вращательном способе бурения: 1 − резец; 2 − разрушаемая порода внедрившимся резцом под действием осевой нагрузки и его перемещении под действием силы резания FР; 3 − плоскость резания (забой)

17

Вращательный способ разрушения пород осуществляется при вращении внедренного в породу инструмента под действием постоянной (статической) осевой нагрузки GО и силы резания FР (рис 1.1, б).

В этом случае реализуются процессы резания, скалывания, смятия и истирания породы, а инструмент по характеру действия относится к категории режущескалывающего действия (РеСкД) или режуще-истирающего (РеИД).

Вращательно-ударный способ разрушения породы осуществляется с помощью инструмента шарошечного типа (рис. 1.2, а), при вращении которого шарошки, вооруженные зубьями, перекатываются по забою, в результате чего ось их вращения то поднимается, то опускается на величину l. В последнем случае зубья шарошки соударяются с породой забоя, т. е. наносят удары достаточно большой силы РД, в результате чего порода в контакте с зубьями разрушается за счет дробления, скалывания и раздавливания. Отсюда следует, что такой инструмент дробяще- скалывающе-раздавливающего действия (ДрСкРаД).

Ударно-вращательный способ разрушения пород осуществляется также при вращении породоразрушающего инструмента под действием силы FР, внедряющегося в забой под действием силы GО, и периодически действующих ударов РД, наносимых с помощью специальных ударных механизмов с определенной частотой ψ (рис. 1.2, б). При этом реализуются процессы резания, смятия, раздавливания, скалывания, дробления и истирания породы, вследствие чего ПРИ относится к разряду режуще-дробяще-скалывающего действия (РеДрСкД).

Рис. 1.2. Схемы РГП при механическом способе бурения скважин:

а− вращательно-ударным инструментом шарошечного типа:

1− корпус шарошки; 2 − зубья шарошки; 3 − плоскость забоя; 4 − лунки (выемки) разрушаемой породы; б − при ударно-вращательном способе: 1 − резец;

2 − плоскость резания-скалывания породы (забой); 3 − лунки (углубления) разрушаемой породы под действием ударной нагрузки РД; 4 − отделяемая порода резанием-скалыванием при перемещении резца вдоль забоя скважины

18

Вибрационный способ бурения заключается в погружении специального забойного инструмента, обычно цилиндрической формы (трубы) с заостренным торцом, в рыхлую породу под действием вынужденных наложенных высокочастотных возвратно-поступательных колебаний − вибраций (динамической нагрузки РД) и осевой нагрузки GО. При этом протекают процессы разрыхления, перемещения и уплотнения породы в стенках скважины (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Схема погружения бурового снаряда при вибрационном способе бурения скважин:

1 − породоразрушающий инструмент; 2 − колонковая труба; 3 − керн; 4 − бурильная труба; 5 – вибратор; 6 − дебалансы, при вращении

которых создаются динамические высокочастотные нагрузки РД

Вибрационно-вращательный способ заключается в разрушении твердых пород при вращении специального инструмента с силой FР, действии осевого усилия GО и динамических высокочастотных импульсных знакопеременных нагрузок (вибраций РД). При этом разрушение породы происходит за счет процессов смятия, раздавливания, скалывания, резания и истирания (по схеме ударно-вращательного бурения).

19

Способ бурения задавливанием бурового снаряда заключается в погружении породоразрушающего инструмента, имеющего форму конуса или полого цилиндра, в мягкую породу только под действием осевого усилия GО. Порода в этом случае разрушается за счет процессов смятия, перемещения разрушаемой породы и ее уплотнения в стенке скважины аналогично процессу погружения бурового снаряда при вибрационном бурении, только без действия ударной нагрузки (см. рис. 1.3).

Способы разрушения горных пород без специальных породоразрушающих инструментов

Сюда относятся пять групп так называемых «бездолотных» способов разрушения пород: гидравлические, термические, взрывоударные, электрические и физикохимические, из которых только часть находят практическое применение (см. табл. 1.3).

Группа гидравлических способов разрушения пород

Гидромониторный способ заключается в разрушении породы высоконапорными струями жидкости, движущимися с большой скоростью (рис. 1.4). При этом имеет место механическое разделение породы на элементы (размывание), выносимые из скважины потоком жидкости.

Гидроимпульсный способ разрушения осуществляется при кратковременных

Рис. 1.4. Схема устройства снаряда для гидромониторного способа бурения скважин непрерывными высоконапорными струями жидкости:

1 − обсадная труба; 2 − направляющая воронка-фильтр; 3 − гидромониторная головка с соплами

20