Вплив параметрів режиму буріння на механічну швидкість проходки

Поняття про режим буріння та його параметри

РЕЖИМ БУРІННЯ ТА ЙОГО ПАРАМЕТРИ

Ефективність руйнування породи долотом залежить від багатьох факторів: осьового навантаження на долото, частоти його обертання, чистоти вибою свердловини, конструкції долота, властивостей породи та інших. Деякими з цих факторів можна оперативно управляти в період роботи долота на вибої або перед спуском його в свердловину. Зміна інших факторів потребує тривалого часу, так що в період роботи одного долота такі фактори залишаються майже без змін.

Під режимом буріння розуміють сукупність тих факторів, які впливають на ефективність руйнування породи та інтенсивність зношування долота і якими можна оперативно управляти в період роботи долота на вибої, а самі фактори називають режимними параметрами.

До режимних параметрів належать:

а) осьове навантаження на долота - Р_д;

б) частота обертання долота - w_д;

в) секундна витрата промивальної рідини - Q;

г) параметри промивальної рідини.

Режим буріння поділяють на:

а) звичайний

- оптимальний;

- раціональний;

- форсований (швидкісний або силовий);

б) спеціальний.

Під оптимальним розуміють такий режим буріння, який забезпечує найвищу продуктивність праці при мінімальних затратах і якісне виконання поставленої задачі. Критерієм оптимізації є мінімум вартості одного метра проходки і максимум рейсової швидкості.

Під раціональним розуміють такий режим буріння, який забезпечує найкраще значення одного чи декількох показників при даному технічному оснащенні.

Форсований - це такий режим, який призводить до збільшення швидкості буріння за рахунок збільшення швидкості обертання долота (форсований швидкісний режим) або осьового навантаження на долото (форсований силовий режим).

Під спеціальним розуміють такий режим буріння, який забезпечує найкраще виконання тієї чи іншої спеціальної задачі (буріння похило-скерованих свердловин, буріння з відбором керна, буріння в продуктивному пласті тощо).

Розглянемо, як впливають режимні параметри на механічну швидкість буріння шарошкових доліт при рівних інших умовах у початковий період роботи, коли знос озброєння і опор доліт ще не впливає на ефективність руйнування породи.

Осьове навантаження на долото. Руйнування гірської породи на вибої механічним способом неможливе без створення осьового навантаження на долото.

Рисунок 6.1– Вплив навантаження на долото на механічну швидкість проходки

Теоретична залежність механічної швидкості проходки від осьового навантаження при розбурюванні порід шарошковими долотами показана на рисунку 6.1. На кривій V_м = f (Р_д) можна виділити чотири області. Область I (ділянка ОА) характеризується тим, що швидкість збільшується пропорційно збільшенню осьового навантаження. В цій області питоме навантаження (контактний тиск) менше, ніж границя втоми гірської породи, тому процес руйнування носить поверхневий характер (стирання, абразивний знос, мікросколювання, зім’яття і зсув окремих нерівностей). При цьому утворюється дрібний шлам розміром частинок від порохоподібних до міліметрів. Ця область називається областю поверхневого руйнування.

В області II (ділянка АВ) механічна швидкість збільшується з ростом осьового навантаження, але в даному випадку механічна швидкість росте швидше, ніж збільшується створюване осьове навантаження. Питоме навантаження при цьому менше, ніж твердість породи і недостатнє для її виколювання при одноразовому ударі. При багаторазових ударах виникають втомні мікротріщини, які розвиваються при кожному новому ударі і призводять до руйнування породи. Таким чином, руйнування породи носить об’ємний характер і відбувається внаслідок втомних явищ. Шлам за розмірами більший, ніж при поверхневому руйнуванні. Область II умовно називають областю втомного руйнування.

В області III (ділянка ВС) відбувається об’ємне руйнування породи, тому вона руйнується при кожному ударі зуба долота в породу. Питомі енергозатрати на руйнування одиниці об’єму породи суттєво нижчі, ніж у перших двох областях. Ця область носить назву області об’ємного руйнування.

Характер залежності між механічною швидкістю буріння і навантаженням суттєво зміниться, якщо очищення вибою стає недостатнім і на ньому (вибої) накопичуються раніше зруйновані частинки, які не встигли переміститись в наддо­лотну зону (область IV, ділянка СД). Це призводить до повторного подрібнення вже зруйнованої породи тощо. Все це спочатку сповільнює ріст швидкості буріння, а потім може і знизити її. Цю зону називають зоною недостатнього очищення вибою.

Якщо в точці С збільшити витрату бурового розчину (Q₂>Q₁), то лінійна залежність (ВС) може продовжуватись до точки Е (СЕ), бо покращуються умови очищення вибою, але з часом знову ж наступить відхилення від лінійного закону, аналогічно попередньому (ділянка ЕF).

Варто зауважити, що границі між режимами руйнування дуже умовні. У вибійних умовах у кожній області є всі режими руйнування, але частка того чи іншого різна і назва області відповідає режиму, який відіграє там головну роль.

Частота обертання долота. При збільшення швидкості обертання долота, при незмінних осьовому навантаженню, секундній витраті промивальної рідини, її властивостей та інших рівнозначних умовах, зростають кількість пошкоджень вибою зубцями шарошок в одиницю часу, швидкість ударів зубців об породу та динамічна складова навантаження на долото, внаслідок чого збільшується механічна швидкість проходки (рисунок 6.2). Проте, при подальшому збільшенні швидкості обертання (вище ) механічна швидкість починає зменшуватись.

Основними причинами зниження механічної швидкості є наступне.

По-перше, оскільки з ростом частоти обертання скорочується тривалість контакту зуба з породою, то при великих частотах тривалість контакту може бути недостатньою для реалізації підведеної енергії.

Рисунок 6.2 – Вплив швидкості обертання на механічну швидкість проходки

По-друге, для видалення подрібненої або сколеної породи необхідний визначений мінімум часу. Якщо частота обертання долота велика, часу з моменту дії зуба однієї шарошки до моменту дії зуба іншої шарошки з даною площадкою вибою може бути недостатньо для видалення породи, зруйнованої попереднім зубом, і наступний зуб повторно подрібнює залишений шлам.

По-третє, з ростом частоти обертання інтенсифікується знос зубців шарошок, що призводить до зменшення величини контактного тиску зубів на породу.

Витрата промивальної рідини. Безперервна циркуляція промивальної рідини при бурінні повинна забезпечувати чистоту ствола та вибою свердловини, охолодження долота, сприяти ефективному руйнуванню породи, запобігати ускладненню. Вплив витрати промивальної рідини на механічну швидкість показано на рисунку 6.3. Як видно з рисунка 6.3, поки не забезпечується своєчасне і повне видалення шламу, механічна швидкість продовжує підвищуватись із збільшенням витрати промивальної рідини майже лінійно.

Рисунок 6.3 – Вплив витрати промивальної рідини на механічну швидкість проходки

Після досягнення практично достатньої витрати Q_д, механічна швидкість все ще може зростати, але уже дуже повільно (ділянка Q_д - Q_max) внаслідок кращої очистки вибою і долота, зниження концентрації шламу в розчині, зменшення густини розчину в кільцевому просторі і зменшенні тиску на вибій. Проте, при подальшому зростанні витрати почне переважати підвищення втрат тиску на подолання гідравлічних опорів у кільцевому просторі, загальний тиск на вибій почне рости, і механічна швидкість буде знижуватись. Практично ця область досягається рідко.

Параметри промивальної рідини. На механічну швидкість проходки суттєво впливає густина бурового розчину. Найбільшої механічної швидкості досягають при продувці свердловини повітрям, дещо меншої - при промиванні аерованими рідинами.

Вплив густини рідини на механічну швидкість пояснюється в основному підвищенням гідростатичного тиску на вибій і ростом перепаду тиску між свердловиною та розбурюваним пластом, внаслідок чого погіршуються умови утворення тріщин, а виколювані частини породи притискуються до масиву. Тому найбільш значний вплив густини в області об’ємного руйнування породи, а при поверхневому руйнуванні і стиранні - не суттєвий.

Із зниженням густини в більшій мірі проявляється ефект нерівномірного всестороннього тиску, що полегшує руйнування породи. У високопластичних породах можливе навіть їх витікання в раніше пробурений ствол. Із збільшенням густини промивальної рідини для досягнення об’ємного руйнування породи необхідне підвищення осьового навантаження на долото, а при бурінні з промивкою аерованими рідинами і продувкою повітрям відносно високі механічні швидкості можуть бути досягнуті при меншому осьовому навантаженні.

Чим вища проникність порід і водовіддача (фільтрація) промивальної рідини, менша в’язкість фільтрату, нижча частота обертання, більша тривалість контакту робочої поверхні долота з породою, тим слабший вплив густини на механічну швидкість, оскільки тиск на вибої і на глибині виколу встигає вирівнятись.

При збільшенні концентрації твердих частинок знижується механічна швидкість, лише іноді може збільшуватись ефект ерозійної дії струмин і тоді швидкість проходки зростає.

Дата добавления: 2014-01-07