Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Изиос-разрушение вооружения шарошечных долот происхо­дит в результате сложного характера взаимодействия зубьев с горной породой. Угол наклона зубца к забою р (рис. 39) харак­теризуется углом между нормалью к забою и осью симметрии зубца. Этот угол назван углом взаимодействия зубца с забоем. Он определяет уровень и знак напряжений в зубце.

Рис. 39. Схема взаимодействия зубца шарошки с породой.

В начальный момент взаимодействия зубца с породой угол р (см. рис. 39, а) максимальный, и зубец работает на изгиб как консольная балка, испытывая максимальные по величине растяги­вающие напряжения на набегающей грани и максимальные сжи­мающие напряжения на противоположной. При дальнейшем пере­катывании шарошкй в момент, когда венец опирается на оДин зубец (см. рис. 39, б), последний испытывает максимальные сжи­мающие напряжения по всему телу (р=0). Дальнейшее перека­тывание венца приводит к возникновению сжимающих напряже­ний на набегающей грани рассматриваемого зубца и растягива­ющих напряжений на его сбегающей грани. Максимальными эти напряжекия будут в момент, когда венец коснется забоя оче­редным зубцом (см. рис. 39, в).

В процессе бурения забой скважины приобретает бугристую поверхность. При попадании зубца в ранее образованные лунки или при внедрении зубца в породу на какую-то глубину угол взаи­модействия очередного зубца с забоем увеличивается. В результате образования на забое «рейки», имеющей прй разбуривании неко­торых пород глубину впадин до 4—5 мм, угол взаимодействия увеличивается в 2—3 раза по сравнению с углом взаимодействия при работе долота на плоском забое [37]. Соответственно увели­чиваются максимальные значения напряжения изгиба в теле ‘зуб-

97

4 В Г. Беликов, С. А. Посташ

ца. Эти напряжения определяются свойствами породы: чем боль­ше твердость и хрупкость породы, тем сильнее удар зубца о по­роду при их взаимодействии; кроме того, чем тверже порода, тем обычно выше динамическая составляющая осевой нагрузки на долото.

Продолмительпость бурения, ч Рис. 40. Эмпирические линии регрессии средней скорости изнашивания периферий­ных зубьев долот 2К-214СГ и средней механической скорости проходки в процес­се бурения (нижнемеловые отложения). 1 — скорость изнашивания; 2 — механическая скорость.

Выкрашивания и сколы зубьев и разрушение их вершин от из­гиба особенно существенны в первый период работы долота, ког­да зубья имеют полную вы­соту, поверхность зубьев не приработана и контактные давления максимальные. Поэтому для этого периода характерно резкое снижение скорости изнашивания во­оружения долота и скорости разрушения породы. После притупления зубьев и при­обретения ими определен­ных размеров и формы, сглаживания неровностей на их поверхности и уменьше­ния контактных давлений скорости изнашивания зубь­ев и разрушения разбури­ваемой породы снижаются во времени медленно.

Сказанное иллюстриру­ется кривыми на рис. 40, построенными по данным от­работки 25 долот 2К-214СГ в породах нижнего мела площади Восточная (трест Ставро — польбурнефть) при роторном бурении (п = 90 об/мин и G = 18 тс), а также кривыми 1 и 2 на рис. 41, построенными по данным от­работки 12 долот Б-243СГ в таких же породах (интервал 2550— 2750 м) площади Приграничная при турбинном бурении (турбо­бур ТС5-8", G = 15—18 тс).,

Уменьшение скорости изнашивания вооружения шарошечных долот во времени отмечается также в работах [27, 38 и др.]. Од­нако для мягких и пластичных горных пород быстрое изнашивание зубьев долота и интенсивное падение скорости изнашивания их в первый период работы долота не характерно.

Для подтверждения этого сравним кривые 1 и 2 с кривыми 1,а и 2, а (рис. 41). Последние относятся к долотам Б-243СГ (9 шт.), отработанным в фораминиферовых отложениях площади Приграничная при бурении турбобуром ТС5-8" (G=14 тс). До­лота, отработанные в породах фораминиферовых отложений, от­носящихся к 1-й категории по твердости (/гп=3—оо), в противо­положность долотам, отработанным в более твердых (3-я катего­

рия) и менее пластичных (3-я категория) породах нижнего мела, не имели следов сколов и выкрашивания зубьев. Если в породах нижнего мела при максимальном, времени работы 2,25 ч средний износ вооружения долот составил 30%, то в фораминиферовых от­ложениях при максимальном времени работы 5 ч средний износ зубьев оказался равным всего 17%, причем зубья имели износ боковых граней, т. е. самозатачивались в процессе работы. В ре-

Продолжительность бурения, ч

Рис. 41. Эмпирические линии регрессии средней1 скоро­сти изнашивания вооружения и средней механической скорости проходки при бурении долотами Б-243СГ в породах нижнемеловых и фораминиферовых отложе­ний. 1 и 1, а — скорости изнашивания вооружения соответственно в нижнемеловых и фораминиферовых отложениях; 2 и 2, а — ме­ханические скорости соответственно в нижнемеловых и фора- миниферовых отложениях 2 и 2, а — механические скорости соответственно в нижнемело­ вых и фораминиферовых отложениях

1

зультате скорость их изнашивания мало изменялась во времени; незначительно снижалась во времени и механическая скорость проходки.

Таким образом, скорость изнашивания зубьев шарошечных до­лот в более твердых и менее пластичных породах выше, чем в ме­нее твердых и более пластичных породах при одинаковой абразив­ности этих пород.

При взаимодействии зубца с породой происходит не только его разрушение путем выкрашивания и сколов рабочей поверхности, но также и износ в результате соприкосновения с горной породой, которая в той или иной степени всегда обладает абразивными свойствами. .

В момент соприкосновения зубца с породой (см. рис. 39, а), когда угол взаимодействия максимальный, отдельные небольшие площадки зубца (в зависимости от его формы и формы забоя в области контакта) могут подвергаться ударно-абразивному изно­
су. Боковая грань зубца, если попадает на гребешок «рейки», под­вергается абразивному износу при трении скольжения. При даль­нейшем перекатывании шарошки в момент, когда венец опирается на один зубец и происходит погружение зубца в породу, притуп­ленная площадка подвергается ударно-абразивному износу, а бо­ковые грани — абразивному износу при скольжении. Оценить до­лю ударно-абразивного и абразивного износа при скольжении в общем износе вооружения шарошечных долот весьма трудно.

Ударно-абразивный износ [39] происходит при ударе по по­верхности, имеющей абразивные или иные твердые частицы, в ре­зультате многократного прямого внедрения твердых частиц в по­верхность изнашивания без перемещения по ней. Для внедрения абразивных частиц в изнашиваемую поверхность необходимо, что­бы зерна имели благоприятную ориентацию своих граней по от­ношению к этой поверхности и большую твердость. Такие условия при работе шарошечного долота, по-видимому, будут встречаться гораздо реже, чем условия для изнашивания при скольжении. Действительно, зубья шарошечных долот в той или иной степени армируются твердым сплавом, а твердые, крепкие и абразивные породы разбуриваются долотами со штырями из твердых спла­вов (в последнее время и для мягких, но абразивных пород из­готовляются шарошечные долота, оснащенные зубьями из твердо­го сплава). Но и в случае разбуривания мягких, пластичных, но абразивных пород обычными долотами, когда зубья погружают­ся на большую глубину, площадь, подвергающаяся изнашиванию при скольжении, будет гораздо больше площади притупления зубьев, причем износ зубьев происходит с заострением, и соотно­шение рассматриваемых площадей сохранится (в худшем случае) до конца работы долота. Кроме того, долота этого типа имеют большой коэффициент скольжения и, следовательно, притуплен­ная часть зубца также будет подвергаться абразивному износу и при скольжении.

Ударно-абразивный износ на площадке притупления будет, по-видимому, значительным при центральном ударе зубьев о по­роду. Кроме того, ударно-абразивный износ при разбуривании средних и твердых абразивных пород может происходить после того, как произошло выкрашивание и скалывание твердого спла­ва, и в случае, когда зубья изнашиваются с притуплением. Но и в таких случаях (вследствие «ухабистости» забоя и вследствие того, что шарошки почти всегда перекатываются со скольжением) ука­занные поверхности будут подвергаться также и абразивному из­носу при сколыкении. ,

Следовательно, вооружение шарошечных долот в большинстве случаев разрушается и изнашивается в основном в результате кон­тактной усталости материала и усталости от знакопеременного из­гиба (в средних, твердых и крепких породах) и в результате аб­разивного износа при скольжении. ‘

Вопросами оценки абразивности горных пород занимались

В. С. Федоров, Е. Ф. Эпштейн, Н. В. Пичахчи, JI. И. Барон, А. В. Кузнецов, М. М. Тененбаум, Ю. Ф. Алексеев и др., но наи­более полно эти вопросы освещены в работах JI. А. Шрейнера, А. И. Спивака и П. А. Баландина и др. Однако работ по изуче­нию абразивных свойств горных пород, особенно в области изуче­ния абразивности горных пород для отдельных нефтяных районов страны, явно недостаточно. Не создана методика оценки абразив­ности горных пород, которая достаточно полно моделировала бы механизм изнашивания породоразрушающего инструмента в за­бойных условиях.

О процессе изнашивания-разрушения вооружения долот мож­но судить по падению механической скорости проходки во вре­мени. Закономерность этого падения может описываться уравне­нием (18) или другими уравнениями [31, 59]. Входящие в эти уравнения величины зависят как от абразивной способности гор­ной породы, так и от ее твердости, износостойкости вооружения долота, способа бурения, параметров режима бурения, типораз­мера долота и других факторов. Указанные величины отражают общий процесс изнашивания-разрушения зубьев долота, вклю­чающий абразивный износ при скольжении, ударно-абразивный износ, выкрашивания, сколы. Поэтому в ряде случаев эти величины мало пригодны для оценки абразивной способности горных пород. Тем не менее, они могут быть весьма полезны для решения раз­личных вопросов рациональной отработки долот.

Необходимы дальнейшие исследования, направленные на раз­работку новых и уточнение существующих методов оценки спо­собностей горных’пород изнашивать породоразрушающий инстру­мент. .

В промысловых условиях оценку способности горной породы изнашивать вооружение долот можно осуществлять по скорости его изнашивания

Си. в — "X” (110)

8

или по относительному (на 1 м проходки) износу ‘

5i±. (Ill) VC

В_

П°. в — ^

В формулах (1Ю) и (111) В — износ вооружения долота (по вы­соте или объему, выражаемый в единицах длины или объема, в процентах или относительных единицах); h — проходка в м.

В табл. 18 приведены показатели работы и износа вооружения долот 2К-214СГ, отработанных в двух нормативных пачках Зате — речной равнины (G—18—20 тс и п=90 об/мин). Как видно из табл. 18, абразивность горных пород XI пачки в 1,33 раза выше, чем X пачки, в то время как скорость изнашивания вооружения долот больше в 1,83 раза и относительный износ в 2,64 раза. Зна-

Таблица 18 , 2 Н О Относительные показатели Нормативная пачка Интервал бурения, м Категория тве] дости пород Категория пла стичности поре Средняя абраз] ность пород, I методу Л. И. рона, г о к о 03 н о <У ‘ST Я § к механическая скорость абразивность, по метод у. Л. И. Барона скорость изнашивания износ X 3100—3200 4—5 2 0,024 7 1,00 1,00 1,00 1,00 XI 3200—3320 5 2 0,032 10 0,74 1,33 1,83 2,64

чительные расхождения рассматриваемых относительных данных можно объяснить следующим образом.

Показатель относительного износа характеризует одновремен­но как способность долота разрушать горную породу, так и спо­собность горной породы разрушать инструмент. По методу JI. И. Барона и А. В. Кузнецова, оценивают только абразивную способность горной породы. Вооружение же долота изнашивается и разрушается также и в результате выкрашивания и сколов. А так как породы второго интервала более твердые, то и разрушение вооружения от выкрашиваний и сколов было значительнее.

Следовательно, скорость изнашивания вооружения более пол­но отражает фактическую способность горной породы разрушать и изнашивать породоразрушающий инструмент, чем показатель абразивности.

Комментарии запрещены.