4.4. Особенности формирования стволов скважин при бурении

В процессе бурения колонна бурильных труб в скважине деформируется с образованием спиральной формы упругого равновесия. В результате буровая компоновка получает прогиб, а инструмент располагается в скважине с некоторым перекосом (рис. 4.21). Перекос бурового инструмента приводит к неравномерности распределения контактных напряжений под торцом и может служить причиной неравномерного износа бурового инструмента.

Перекос бурового инструмента приводит к снижению эффективности разрушения горных пород вследствие неравномерного заглубления торцевых резцов в породу на забое. Неравномерное заглубление резцов является причиной появления дестабилизирующего равномерное вращение инструмента усилия ΔТ, которое для алмазной коронки определено в работе [22]:

, (4.14)

где m – число резцов на торце инструмента;

d_a – диаметр алмазных резцов, м;

σ_ск – предел прочности породы на скалывание, Пa;

γ – угол перекоса бурового инструмента на забое, радиан;

η – параметр устойчивости инструмента на забое, равный для долота R² и (R²+Rr+r²)²/(R+r)², где R,r – наружный и внутренний радиусы торца бурового инструмента, м.

Параметр устойчивости инструмента на забое для долота диаметром 59 мм составляет 8,7 см² , для коронок равного диаметра с толщиной матрицы 8,5 и 5 мм соответ-ственно 14,9 и 16,6 см².

Таким образом, при прочих равных условиях усилие ΔТ будет несколько большим для более тонкого короночного кольца. В то же время меньшая площадь торца инструмента, как правило, приводит к значительному понижению осевого усилия, а значит, угла перекоса инструмента на забое γ_п и, соответственно, ΔТ.

Точка приложения усилия ΔТ смещена от геометрического центра торца инструмента на расстояние x, которое определяется из уравнения [21]:

, (4.15)

где h – углубка инструмента за оборот, м.

Точка О₁ на торце инструмента становится мгновенным центром вращения инструмента, что обеспечивает при провороте вокруг этой точки его воздействие инструмента на стенку скважины и её фрезерование. В результате увеличивается диаметр скважины и изнашивается наружный контур торца бурового инструмента, а соответственно растут непроизводительные затраты, снижается эффективность бурения (рис. 4.21).

При определенных условиях бурения скважины перекошенным на забое инструментом на керне образуются спиралевидные надрезы, имеющие вид многозаходной резьбы. Чаще всего такой керн можно наблюдать на месторождениях, на которых бурение осуществляют твердосплавными коронками. В интервалах стволов скважин, в которых получен винтовой керн, ствол скважины также имеет поверхностью с винтовыми надрезами. В разрезе сечение такого ствола (керна) имеет форму многоугольника.

Впервые факт образования многоугольных отверстий был отмечен в металлообрабатывающей промышленности при сверлении орудийных стволов (Костромин Ф.Д., 1941 г.).

Е.О. Пражский, В.И. Елгазин объясняют образование многоугольных сечений поворотом долот или коронок вокруг мгновенных центров вращения, которыми могут являться резцы или шарошки долот. Интересны факты, полученные при изучении механизма формирования винтового керна, которые свидетельствуют о том, что площадь многоугольного сечения ствола скважины всегда меньше, чем площадь круглого ствола, из которого сформировалось многоугольное сечение, а при выбуривании винтового керна наблюдается достаточно резкое увеличение механической скорости бурения.

А.А. Зверюга обосновывал и развивал направление, связанное с использованием механизма образования винтового керна для повышения производительности бурения. Объяснение повышения производительности связывалось с более значительным внедрением резцов в породу.

Исследованиями Н.Д. Нечаева и др. показано, что механизм образования винтового керна состоит в несовершенстве коронок, а именно в разновысотности резцов. Разновысотность резцов приводит к смещению мгновенного центра сопротивления от оси вращения, и коронка окатывается по стенке скважины в направлении, обратном направлению вращения бурильной колонны, совершая, таким образом, гипоциклическое движение. При этом наружные резцы коронки формируют ствол скважины многоугольного сечения, а внутренние резцы фрезеруют керн, создавая многозаходный винт, число заходов у которого всегда на один превышает число внутренних резцов.

За один оборот один резец коронки совершает n касаний со стенкой скважины, а вся коронка – nm касаний, где m – число резцов у коронки.

Частота колебаний инструмента резко увеличивается, возрастают динамические нагрузки на инструмент. Например, при гипоциклическом движении инструмента линейная скорость резца меняется от 0 до и снова до нуля ( - частота вращения инструмента).

Основными условиями формирования винтообразных ствола скважины и керна при бурении являются:

- наличие технологического зазора между стенкой скважины и буровой компоновкой;

- наличие поперечной силы, направленной от бурового инструмента в направлении стенки скважины.

Подобные условия при бурении возникают в случае достаточно резкого прогиба буровой компоновки, вызванного значительным повышением осевого усилия. В результате прогиба резко увеличивается поперечное дестабилизирующее усилие, вызванное неравномерным внедрением резцов в забой (рис. 4.21, а).

Свидетельством формирования некруглых форм поперечных сечений стволов скважин является винтовой керн. Винтовой керн чаще образуется при бурении твердосплавными резцовыми коронками как в режиме вращательного, так и ударно-вращательного бурения. При алмазном бурении винтовой керн образуется реже, а форма керна имеет более сглаженные плавные винтообразные формы.

При проведении экспериментальных работ отмечено образование винтового керна при пересечении инструментом контактов горных пород различной твердости.

Механизм образования винтового керна в своих работах рассматривали А.Г. Калинин, И.Н. Страбыкин, Р.С. Яремийчук и Г.Г. Семак.

Рассмотрим процесс формирования винтового керна и ствола скважины на примере работы инструмента с тремя наружными и тремя внутренними резцами (рис. 4.22).

П ри резком перекосе бурового инструмента его резцы заглубляются в породу на различную глубину, и как это уже было рассмотрено, центр его вращения смещается из геометрического центра торца – точки О в другую точку, например, А (рис. 4.22, а). В результате инструмент, проворачиваясь вокруг точки А, внедряется в стенку скважины резцом 3, а точка мгновенного центра вращения резко, в динамическом режиме, перемещается в точку В (рис. 4.22, б). Теперь уже резец 2 внедряется в стенку скважины, а смещение мгновенного центра враще-ния в направлении этого резца приведет к тому, что следующим резцом, который внедрится в стенку скважины, будет резец 1.

Таким образом, пос-ледовательно создавая углубления всеми резцами в стенке скважины, круглое поперечное сечение ствола преобразуется в четырех-угольное винтообразное. Такую форму получит ствол скважины, буримый, например, трехшарошечным долотом.

Внутренние резцы (если применяется, например, трехрезцовая коронка) при подобном движении бурового инструмента будут формировать винтовой керн, который в поперечном сечении будет иметь четырехугольную форму (рис. 4.22, в).

На рис.4.23 показан винтовой керн, полученный при бурении твердосплавными коронками. Один из кернов имеет контакт различных горных пород, который, вероятно, и стал причиной сложного гипоциклического движения инструмента и образования винтового керна, поскольку при пересечении контакта горных пород различной твердости на буровой инструмент со стороны более твердой породы оказывает действие значительная поперечная отклоняющая сила [21]. Под действием отклоняющей силы, даже без перекоса бурового инструмента, появляются условия для формирования винтообразного ствола скважины.

Образование винтового керна связано со значительными динамическими нагрузками на инструмент, а процесс бурения при гипоциклическом движении инструмента сопровождается вибрацией. В результате происходит разрушение керна при бурении и более существенный износ бурового инструмента.

Ствол скважины, получая сложную винтовую форму, требует обязательной проработки, т.к. такой ствол будет заужен и не пропустит обсадную колонну.

Без проработки в скважину невозможно будет спустить и бурильную колонну с буровым инструментом иной конструкции, отличной от той, которая применялась при образовании винтообразной формы участка ствола скважины (например, в интервал, пробуренный трехшарошечным долотом, без предварительной проработки ствола, не пройдет долото такого же диаметра, но с четырьмя шарошками).

Влияние фрезерующей способности бурового инструмента на формирование стволов скважин.

При бурении достаточно часто образуются уступы и локальные искривления ствола скважины. Значительную роль при формировании подобных отклонений ствола, влияющих на эффективность бурения, оказывает фрезерующая способность бурового инструмента [21].

Фрезерующую способность породораз-рушающего инструмента оценивают через коэффициент боковой фрезерующей способности f_ф , который учитывает различную эффективность разрушения горной породы в осевом (v_м) и поперечном направлениях (v_ф) для конкретных инструментов (рис. 4.24):

( 4.16)

Пределы изменения коэффициента боковой фрезерующей способности бурового инструмента – 0 ≤ f_ф ≤ 1, а реальные величины f_ф определяются опытным путем и они, в основном, составляют значения 0,1-0,3.

Угол отклонения забоя при фрезеровании стенки ствола скважины под действием отклоняющих буровой инструмент сил за один оборот коронки на забое равен [21]:

(4.17)

Из приведенных зависимостей следует, что угол отклонения α задается коэффициентом фрезерующей способности инструмента и на малом участке ствола может достигать значительных величин. Искривленность же ствола на локальных участках может сдерживаться за счет методов интенсификации углубки за оборот при условии, что коэффициент фрезерующей способности будет неизменен, вследствие роста, например, осевого усилия на инструмент.

Выполненный анализ позволяет оценить потери осевого усилия на инструмент при отклонении ствола от прямолинейного направления. Снижение осевого усилия при отклонении скважины на угол α

(4.18)

А нализ данной зависимости показывает, что потери осевой нагрузки на инструмент при появлении отклоняющего усилия, например, вследствие прогиба буровой компоновки, пропорциональны коэффициенту фрезерующей способности инструмента и могут составить значительную величину при самом незначительном отклонении инструмента от прямолинейного направления, что может приводить к снижению скорости бурения и дальнейшему росту угла отклонения. Одновременно с ростом угла отклонения возрастет объем горной породы, разрушаемой боковыми резцами, что вызывает снижение ресурса бурового инструмента.

Для снижения фрезерования стенки ствола скважины при бурении, особенно анизотропных и перемежающихся по твердости горных пород, рекомендуется применение центратора, установ-ленного над буровым инструментом.

Опытные работы по определению v_ф, проведенные в Томском политехническом универ-ситете (ТПУ), позволили определить, что для пород V-Х категорий по буримости скорость фрезерования породы под действием отклоняющей силы 2-10 даН и частоте вращения 155-1170 мин^-1 может составить значения 0,3-2,0 м/ч для мягких пород и 0,3-0,7 м/ч для твердых пород (рис.4.25).

Во всех случаях рост отклоняющей силы сопровождается пропорциональным увеличением скорости фрезерования в породах различной буримости. Повышение частоты вращения инструмента отмечалось снижением темпа или прекращением роста скорости фрезерования v_ф [ 21 ].