Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

В общем виде рассматриваемая зависимость аналитически мо­жет быть выражена уравнением

vM = cvGx, (53)

где С„ и х — величины, зависящие от скорости вращения долота, свойств разбуриваемой породы, конструкции рабочей поверхности долота и его диаметра, формы шарошек, подачи промывочной жидкости, ее качества и других факторов. При широком диапазо­не изменения осевой нагрузки на долото показатель степени х и коэффициент cv не остаются постоянными. Значение х может из­меняться в пределах О^х^З.

При поверхностном разрушении породы х—. Если процесс разрушения породы усталостно-объемный или объемный, значение х существенно зависит от конструкции рабочей поверхности ша­рошек, формы их конусов и других факторов. Чем рациональнее рабочая поверхность долота, т. е. чем за меньшее число оборотов долота забой скважины полностью разрушается на величину 6, т. е. чем меньше &0б, тем выше значение х. Если бурение ведется при усталостно-объемном или объемном разрушении породы, то х>1. Чем больше скалывающее действие зубцов шарошек. при объемном разрушении породы, тем выше величина х, которая мо­жет доходить до двух при разбуривании твердых пород и до трех при бурении в глинах и глинистых породах.

Сказанное о величине х справедливо при условии, что промыв­ка забоя и долота совершенная или близка к таковой. При не­удовлетворительной очистке забоя и долота от выбуриваемой По­роды величина х резко снижается и может доходить до нуля.

Установившийся процесс работы долота на забое всегда пред­ставляет собой состояние динамического равновесия процессов разрушения породы и удаления продуктов разрушениям кольце­вое пространство над долотом.

На практике нередко встречаются случаи, когда после увели­чения осевой нагрузки на долото механическая скорость значи­тельно возрастает, но через некоторое время быстро падает. Это обусловливается зашламлением забоя и наматыванием сальника на долоте в результате неправильного соотношения между пара­метрами режима бурения [96].

Общий вид зависимости механической скорости проходки от осевой нагрузки на долото для шарошечных долот показан на рис. 8 [92].

Участок Оа кривой &M=uM(G) соответствует поверхностному разрушению породы, а участки ab. и Ьс— усталостно-объемному — и объемному. Участки Оа и ab обусловлены закономерностями разрушения горной породы, а участок Ьс — этими закономерности* ми и ограниченностью высоты зубьев шарошек.

При осевых нагрузках на долото, больших Gv, из-за ограничен­ной высоты зубьев шарошек и недостаточной очистки забоя ме­ханическая скорость при повышении осевой нагрузки на долото остается без изменения или даже снижается. Последнее объяс­няется тем, что выбуренная порода запрессовывается между зубьями шарошек, уменьшая их эффективную высоту и ухудшая процесс разрушения породы. Нагрузка на породу начинает пере-

даваться не только через зубья долота, но и через продукты раз­рушения породы, находящиеся между зубьями, тем самым сни­жается удельное давление на породу.

Вести бурение при нагрузках, больших Gv, неразумно, так как показатели работы долот оказываются хуже, чем при нагрузках, меньших Gv, и увеличивается расход энергии на единицу разбури­ваемой породы. Рациональные осевые нагрузки на долото Gra находятся в пределах от G& до Gv, приближаясь к (?„.

Значение Gv зависит от свойств породы, конструкции рабочей поверхности долота, степени очистки забоя от выбуренной породы, скорости вращения долота и других факторов.

Как видно из рис. 9, ухудшение очистки забоя от выбуренной породы снижает пм при той же G; чем меньше подача промывоч­ной жидкости, тем ниже значение Gv. ‘

Случаи, когда механическая скорость достигает максимального значения при определенной осевой нагрузке на долото и дальней­шее повышение G не увеличивает ам, особенно часты при бурении на больших глубинах. При бурении в твердых породах предель­ная осевая; нагрузка на долото может определяться прочностью ■ . / ‘ • — .

21

долота, которая не позволяет достичь не только нагрузки G„, но даже и Gb. Лимитирующим фактором для осевой нагрузки на долото может быть также прочность бурильной колонны или вра­щающий момент привода долота.

Вследствие того, что при широком диапазоне изменения осевой нагрузки на долото показатель степени х и коэффициент cv а формуле (53) не остаются постоянными для одних и тех же усло­вий бурения, пользоваться указанной формулой затруднительно. Однако в буровой практике нас обычно интересует изменение G не в широких пределах, а в пределах эффективного разрушения породы. Для этих же условий зависимость aM = yM(G) может с достаточной для практики точностью выражаться линейным урав­нением вида

vM = c*v(G-C). (54)

Как видно из рис. 8, в формуле (54) величина С представ­ляет собой абсциссу точки пересечения прямой, аппроксимирую­щей часть графика vM = vM(G), соответствующего рассматривае­мому диапазону изменения осевой нагрузки на долото, с осью абсцисс; с* характеризует степень влияния G на wM. Значения величин С и с* могут быть сравнительно легко определены по данным промысловых экспериментов.

Учитывая выражение (1), приходим к заключению, что, со­гласно формуле (53), при дадной п механическая скорость прямо, пропорциональна углублению скважины за один оборот долота. Поэтому графики yM = t>M(G)’ в соответствующем масштабе могут рассматриваться и как графики si=Si(G).

Графики uM = uM(G) и Si=Si(G) можно рассматривать так же, как зависимости ом или Si от удельной нагрузки на породу. В ка­честве такой нагрузки можно использовать нагрузку на единицу диаметра долота gд или на единицу площади его опорной поверх­ности gt, т. е.

G G /ег

=-=Г ИЛИ gt = Т. (55)

U г t

где Ft — площадь опорной поверхности долота.

Бингхэм предложил использовать дДя анализа промысловых данных о работе долот зависимость Si = si(gH) и показал, что эта

зависимость имеет ряд характерных особенностей (рис. 10). Если

очистка забоя идеальна, то Si будет зависеть только от способ­ности долота разрушать породу. Линия ОЕ характеризует эти идеальные условия.

Кривая ОА определяет максимально достижимую si при дан­ной ga в промысловых условиях. Когда показатели ложатся на эту кривую, то говорят, что они находятся в рабочей области. Такие результаты можно получить при очистке забоя газообраз-

ными агентами или при минимальном гидростатическом давлении промывочной жидкости. Для рабочей области диаграммы

si = bg*, (56)

где х = 0,9—3,0 для большинства пород и долот, причем чем креп­че порода, тем выше значение х 6S = 2,6-10~17— 6,21 * 10—8 (si в см/об и £д в кГ/см). Очевид­но, уравнение (56) аналогич­но уравнению (53).

Значения х и bs для раз­личных пород варьируют в очень широких пределах, по­этому очень трудно предска­зывать показатели работы долот. В связи с этим рабо­чую кривую заменяют прямой линией и используют форму­лу, аналогичную формуле (54),

s1 = K(ga-Cg). (57)

Эта линия (прямая CgA), называемая рабочей линией, характеризует потенциальные возможности долота при дан­ных условиях бурения. При увеличении прочности горной породы наклон рабочей ли­нии уменьшается, а отрезок OCg, отсекаемый этой линией на оси удельных нагрузок, увеличивается. При почти идеальных условиях и атмо­сферном давлении точки, ха­рактеризующие Si, могут рас­полагаться в области, ограни­ченной линиями ОА и ОЕ.

В большинстве случаев рассматриваемые точки ложатся ниже рабочей кривой в так называемой области недостаточной очистки забоя. Характерные линии TL, T’L’, T"L" представляют собой кривые недостаточной очистки забоя. Нижней границей указанной области является линия CgB, называемая линией минимального углубления. Очевидно, более точно значения sj, соответствующие рассматриваемому условию, должны аппроксимироваться линией, проходящей через начало* координат. Однако, поскольку сущест-, вует количественный контроль за положением рабочей кривой, было признано целесообразным линию минимального углубления

проводить из точки пересечение рабочей кривой с осью абсцисс.

По данным Бингхэма, наклон указанной линии в 3—12 раз меньше наклона рабочей линии в зависимости от геометрии рабо­чей поверхности долота, свойств горной породы и свойств промы­вочной жидкости. Для растворов на водной основе соотношение между тангенсами угла наклона рассматриваемых линий колеб­лется в пределах от 3 :1 до 6:1, для растворов на нефтяной ос­нове оно достигает иногда 12:1. Изменение соотношения между наклонами рабочей линии и линии минимальных углублений ука­зывает на существенные изменения процесса механического бу­рения.

Под линией минимальных углублений лежит область неудов­летворительной очистки забоя, соответствующая самым худшим условиям бурения, при которых s^He увеличивается при повыше­нии осевой нагрузки на долото. Характерными линиями этой об­ласти диаграммы являются линии E’F’, E"F".

Исследование зависимостей Si и vM от осевой (или удельной осевой) нагрузки на долото для конкретных условий бурения по­зволяет решать многие важные вопросы буровой практики.

Комментарии запрещены.