Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Как было рассмотрено выше, показатели работы долот зави­сят от механической мощности на долоте и соотношения между Мд и л, а также от гидравлической мощности, срабатываемой на долоте, Q и соотношения между Q и vw. Очевидно,

= ^д. под = — 1Гпот (141)

и

№дг = Гдг. под = №дд. г — №пот. г, (142)

где ИРД. под — подводимая к долоту механическая мощность; №дд— мощность поверхностных двигателей для привода долота; И^пот — потери мощности при передаче ее от указанных двигателей к

долоту; ЦРдт. под — подводимая к долоту гидравлическая мощ­

ность; АРдд. г — мощность поверхностных двигателей для циркуля­ции промывочной жидкости; №Пот. г — потери мощности при цир­куляции промывочной жидкости.

Из формул (141) И (142) ВИДНО, ЧТО МОЩНОСТИ ТСд-под и И^дг. под зависят от технической оснащенности буровой и способа бурения, т. е. способа передачи энергии от поверхностного оборудования к породе. От указанных факторов зависят также абсолютные зна­чения подводимого к долоту вращающего момента, скорости вращения долота, Q и ои и соотношения между вращающим мо­ментом и п и между Q и о„. -‘

Для получения объемного разрушения горной породы необхо­димо, чтобы зубья долота создавали определенное контактное давление на нее и чтобы продолжительность контакта зубьев с породой была не менее определенного значения. Как указанное давление, так и продолжительность контакта зависят при данных условиях от площади опорной поверхности и других показателей вооружения долота. Механическая прочность долота и его износо­устойчивость определяют максимальную допустимую осевую на­грузку на него и максимальную допустимую скорость его враще­ния. В то же время, на осевую нагрузку на долото и скорость вра­щения долота могут накладываться те или иные ограничения используемым способом бурения и технической оснащенностью буровой.

Осевая нагрузка на долото (а в роторном бурении и скорость вращения долота) может ограничиваться прочностью бурильных труб и УБТ. В связи с переходом к бурильной колонне мецынего диаметра осевую нагрузку на долото обычно приходится умень­шать. Указанные параметры режима бурения могут ограничи­ваться из-за недостаточных вращающего момента ра долоте и мощности-буровой установки.

При данных били прочих одинаковых условиях бурение роторным способом можно вести только до глубины

т _ ГСдб. у — [ain + агПъ + а3 (М0 + MyG) п + сунуж1ук(1^нп1V7] , ,

•^доп,9 17 Ун’

■ (143)

где Гдб. у — мощность двигателей, используемых для вращения

бурильной колонны; ст и сун — коэффициенты, зависящие от угла искривления скважины (соответственно для бурильных труб и для утяжеленного низа); /ун — длина утяжеленного низа; 5ун — наружный диаметр утяжеленного низа; dB — наружный диаметр бурильных труб; ai, а2 и а3 — коэффициенты пропорциональ­ности [97].

При достижении указанной глубины придется снизить осевую нагрузку на долото или скорость вращения долота, или и то и дру­гое. Учитывая степень влияния G и п на показатели работы долот и на мощности WK и И7П0Т, а также характер изменения свойств горных пород с глубиной, приходим к выводу, что значительно^

целесообразнее снижать п. Возможное варьирование скорости вра­щения бурильной колонны определяется механической характери­стикой буровых двигателей и конструктивными особенностями трансмиссии. ,

Допускаемую глубину бурения LHOn можно несколько увели­чить, применив долото с меньшими значениями Л40 и Му.

Скорость вращения бурильной колонны не должна превышать величин, допускаемых условиями нормальной работы бурового оборудования и безаварийной работы бурильных труб и УБТ.

В турбинном бурении существуют следующие соотношения между характерными значениями осевой нагрузки на долото:

^нес > GM > Gw, (144)

Gt>Gw>Gb или Gx < Gw < GB, (145)

где GHec=2G *ec—нагрузка на долото, обусловленная несущей способностью упорного подшипника турбобура (G*^. — несущая

способность указанного подшипника, G*ec>GB); GM — максималь­

ная нагрузка на долото, при которой еще возможно вести бурение и при превышении которой турбобур останавливается; Gw — на­грузка на долото, соответствующая максимальному значению мощ­ности на долоте; GT — нагрузка, соответствующая работе турбины в оптимальном режиме; GB —нагрузка на вал турбобура от пере­пада давления на нем, в долоте и маховике плюс вес всех вра­щающихся элементов турбобура, а также вес долота и маховика [2, 96, 97].

•: „ 2Мт — Ь-[ПМ ^ (0вЛ4Пу ± ЛГпо)—М0

; —: <ш>.

Gw =———————— 4———— ^—————— — . (147)

, 2 (My Т Мпу) , v ‘

В формулах (146)*;й (147) верхние знаки при G<GB и нижние знаки при G>GB; Мщ* — прирост адомента сил сопротивления в пяте турбобура при увеличении нормальной нагрузки на пяту на 1 тс (удельный момент трения в пяте); М

по — составляющая МО* мента сопротивления в пяте, не зависящая от нормальной нагрузки на пяту; Мт — вращающий момент турбины турбобура, развивае­мый, ею при работе в оптимальном режиме; пм — минимально воз­можная скорость вращения долота (соответствует GM); Ьт — вели­чина, характеризующая динамичность турбины турбобура,

b? = — = ~lTL = 4K^r(} = y*z-f-Q’ (148)

пт пх /±п яп

где лт— соответствует Мт и GT; Ай, Ап и Амi — параметры тур­бины; 2 — число ступеней; Мтр — тормозной момент турбины,

пх — скорость вращения турбины при работе в холостом режиме.

В турбинном бурении скорость вращения долота является функ­цией осевой нагрузки на него [14, 17, 97]:

(149)

п = пх — cG,

где

(150)

Г~ (К + -^по ± -^пу^в)

ьт у

и с — сброс турбобуром числа оборотов при увеличении осевой нагрузки на долото на 1 Г:

При одной и той же скорости вращения долота бурение может вестись при тем большей G, чем меньше с, и наоборот. Поэтому с характеризует приемистость турбобура к осевой нагрузке на до­лото [16].

Приемистость турбобура ухудшается с ростом М0 и Му; она за­висит от типоразмера и модели долота. С увеличением шага и высоты зубьев приемистость турбобура к осевой нагрузке сни­жается, и наоборот, с уменьшением шага и высоты зубьев — повы­шается. Максимальная приемистость турбобура при прочих одина­ковых условиях наблюдается для долот с коэффициентом еколь — жения kz> равным нулю. Однако это не означает, что всюду должны использоваться долота с &z=0, с низкими зубьями и не­большим шагом: при бурении мягких и средней крепости пород обычно хорошие результаты получаются с долотами, имеющими высокие зубья с большим шагом и большим kz [13, 15, 96]. Но если приемистость турбобура недостаточна, то приходится пере­ходить на долота с меньшим kz, с зубьями меньшей высоты и меньшего шага.

Повышение динамичности турбины (путем, например, увеличе­ния Q или z) позволяет разбуривать те же породы долотами с зубьями большей высоты и большего шага и с большим коэффи­циентом скольжения; в ряде же случаев удается успешно перехо­дить на лопастные долота [18, 24].

Следовательно, между техническими характеристиками турбо­бура и долота существует определенная зависимость [14]. Так, удельный момент сопротивления на долоте MyW, при котором тур­бобур при данных условиях бурения будет работать в режиме мак­симальной мощности на валу, определяется по формуле

SHAPE * MERGEFORMAT

2Мх — (Л1По Ч — 2М0) i (2G — GB) Мпу 4ё

где

(152)

Б =

(153)

Между характерными значениями чисел оборотов в турбинном бурении существуют следующие соотношения:

«х > Пр > nw > пм, пт < nw < пв, nT>nw> flB, (154)

где яр — разгонное число оборотов турбобура; nw и пв соответст­

вуют Gw и GB.

При бурении — электробурами отмечаются следующие соотноше­ния между характерными значениями осевой нагрузки на долото и характерными значениями чисел оборотов долота [21, 22]:

GH < GM < GMm < GHec, Gt^Gh, Gt<Gm (155)

и

A2M ^ ftp ^ ft’ ^ Яр? (156)

где GH и ян — соответствуют номинальному режиму работы двига­

теля электробура; GM и пм — соответствуют критическому режиму; Омш — максимально допустимая осевая нагрузка на долото, обус­ловленная допускаемым крутящим моментом для шпинделя; GHeс — допускаемая осевая нагрузка на долото, обусловленная не­сущей способностью упорного подшипника шпинделя (табл. 24); G — и пх — соответствуют допустимому установившемуся перегреву обмотки статора; яр — разгонное число оборотов электробура; «х—скорость вращения двигателя электробура при холостом ходе.

Допускаемая осевая нагрузка на долото GMm определяется по формуле

G, H>= ‘ О57)

где Л4МШ — допускаемый крутящий момент для шпинделя электро­бура (табл. 24). Таблица 24 Тип шпинделя Допускаемая осевая нагрузка 0нес, тс Допускаемый крутящий момент Ммш, кГм при длитель­ной работе при кратко­временной работе при длитель­ной работе при кратко­временной работе ШЭМ-250 (ШЭМ-6) …. 30 45 340 770 ЩЭМ-215………………….. 20 30 •255 470 ШЭМ-170 (Ш-170)…………….. 16 25 — —

Для установившегося режима работы электробура в процессе бурения справедливо равенство

Мдэ = Мд + Л4пш + Мпд9, (158)

где Мптгя — потери момента в двигателе электробура и Мпш —по­тери момента в шпинделе:

МПщ — Мпшр + Л4пшу = Мпшр + Муш | G — GJ. (159)

127

В формуле (159) Мпшр — момент на преодоление сопротивлений в шпинделе, не зависящих от осевой нагрузки на долото; Мпту — момент на преодоление сопротивлений в шпинделе, зависящих от осевой нагрузки на долото; Муш — прирост момента сопротивлений в шпинделе электробура при увеличении G на 1 тс [21]; GB— вес долота и вращающихся частей шпинделя плюс гидравлическая нагрузка за счет перепада давления в шпинделе и долоте.

Решая совместно уравнения (158), (159) и (36) относитель­но G, получаем

мдэ Л1ОШд ± мушав

° = М,?Муш <160>

где верхние знаки —при G<GB и нижние знаки — при G>GB,

^ошд = + Мпшр + — Мпдэ — (161)

Подставляя в формулу (160) значения Мдэ для различных ре­жимов работы двигателя электробура, можно определить соответ­ствующие этим режимам осевые нагрузки на долото (GH, Gx, Gu) [21,22].

Обычно G^$>GB, и поэтому в числителе формулы (160) послед­ним членом можно пренебрегать; в таком случае

г Мдэ Мошд /1йО

С = М, + М, ш — <1в2>

Важным параметром, характеризующим двигатель электробура, является его удельный вращающий момент Муэн, т. е. момент, приходящийся на 1 а тока статора при работе двигателя в номи­нальном режиме [21],

Муэн= 1,685G3 Т1дзн^3<Рн, ‘ ‘ (163)

где £/3— напряжение на зажимах двигателя электробура в в;’ *Пдэн — к — п — Д — двигателя электробура; cos фн — коэффициент мощ­ности двигателя; индекс «н» указывает на номинальный режим.

Аналогичным параметром для электробура является удельный момент на выходном конце вала электробура, т. е. на долоте,

Муэбн = 1,685U9 %бяС05-^ -, (164)

п

где т|эбн — к. п. д. электробура при работе его двигателя в номи­нальном режиме; п — скорость вращения долота (для редуктор-

ного электробура л</гн, а при отсутствии редуктора п=па).

TOC o "1-5" h z Чем выше Мудн (или Л1уЭбн), тем больший момент развивает двигатель (или электробур) при одной и той же силе тока ста­тора. . .

Скорость вращения вала двигателя электробура находится по формуле ‘

n = tii( ■— s), (165)

где tii — синхронная скорость вращения и s — скольжение. 128

Подставляя в формулу (165) значения s для различных режи­мов работы двигателя, определяем соответствующие этим режи­мам скорости вращения вала двигателя (пн, п-т, пм) [22]. При наличии редуктора скорость вращения долота будет зависеть от передаточного числа этого редуктора.

При прочих одинаковых условиях GH, GM, GT, пп, tiM и пх за­висят от М0 и Му, а следовательно, от типомодели долота и свойств разбуриваемых пород.

Очевидно, как в турбинном бурении, так и при бурении элек­тробурами работать при G>GM и, значит, при п<пы невозможно.

В ряде случаев осевая нагрузка на долото и скорост’ь враще­ния долота ограничиваются недостаточной очисткой забоя и ствола скважины [20]. При прочих одинаковых условиях подача промы­вочной жидкости может обусловливаться мощностью установлен­ных двигателей к насосам ТРдн. у или допускаемым давлением нагнетания ртах [12, 19, 96]:

-V-.

Уж ("4рЭб + Ц + Яц^т)

ИЛИ

Г

(167)

V

7ж (Лр36 + Ьц + Оц^-т)

Р тая

где т]н — к. п. д. насосов; т)пн — к. п. д. трансмиссии, соединяющей насосы с их двигателями; Лааб—параметр, учитывающий пере­пад давления в забойном двигателе и в кольцевом пространстве за ним; Ьц и ац — коэффициенты потерь давления в циркуляцион­ной системе буровой; Lr — длина бурильных труб.

Предельная глубина бурения при данной подаче промывочной жидкости из условия полного использования мощности Wm. y оп­ределяется по формуле

£пРед — ~ ГДН^-?~ — *« ~ Л"6) + > (168).

а из условия допускаемого давления нагнетания — по формуле i»p« =-^ (-gg—4‘°)+ (169)

где /ад — длина забойного двигателя.

Очевидно, для случая роторного бурения Лааб =0, а потому ‘в роторном бурении можно при прочих одинаковых условиях иметь большую Q, чем при бурении забойными двигателями, а при дан­ной Q бурить до большей глубины. ‘

Эффективность очистки забоя и удаления выбуренных частиц, породы в кольцевое пространство сильно зависит от расположения промывочных отверстий в долоте и направления струй промывоч-

5 В. Г. Беликов, С. А. Посташ ‘ 129

ной жидкости, высоты зубьев и их расположения на шарошках, количества шарошек и других факторов. Раньше при конструи­ровании долот стремились обеспечить чистоту их вооружения. В настоящее время обычно стремятся получить возможно более совершенную очистку забоя скважины, направляя струю на забой перед рабочими элементами долота или сзади них и приближая выходные отверстия промывочных устройств к забою на определен­ное расстояние.

Чем больше высота зубьев и их шаг, тем больше просвет, обра­зующийся между телом шарошки, зубьями и поверхностью забоя, тем лучше условия для выноса выбуренных частиц породы из-под долота в кольцевое пространство.

С увеличением числа шарошек уменьшается время, необходи­мое для движения выбуренной частицы от забоя в затрубное про­странство без подмятая ее набегающей шарошкой.

Чем больше тупизна зубьев, тем значительнее отрицательно* влияние давления промывочной жидкости на забой на механиче скую скорость проходки.

Таким образом, при выборе типомодели долота для конкретных условий необходимо принимать во внимание техническую оснащен­ность буровой, и способ бурения. Область применения того или иного типа или модели долота может значительно расширяться или сужаться в зависимости от применяемых режимов бурения [13—15, 18, 96]. Так, при наличии достаточного вращающего мо­мента на долоте зачастую оказывается более рациональным при­менить в тех же пор’одах долота с зубьями большей высоты и большего шага, а в некоторых случаях даже выгоднее заменить шарошечные долота типа М лопастными долотами. С другой сто­роны, при ограниченном вращающем моменте на долоте лучшие результаты могут дать долота с меньшими зубьями, а при приме­нении лопастных^ долот может оказаться более рациональным перейти на использование шарошечных долот.

Комментарии запрещены.