Основы выбора осевой нагрузки на ПРИ

Общие основы выбора параметров режима бурения.

Режим бурения – совокупность количественных значений параметров, определяющих процесс углубки скважины. Основными параметрами режима являются: осевая нагрузкана породоразрушающий инструмент (ПРИ) – Сос., частота вращения ПРИ - n, расход очистного агента на забое скважины – Q и, иногда, углубка за оборот – hоб ( или скорость углубки). Параметры режима бурения служат для управления процессом бурения. Скорость углубки, фактически совпадающая с механической скоростью бурения, когда она используется для управления процессом, т.е. устанавливается бурильщиком, заменяет осевую нагрузку на ПРИ, которая становится параметром контроля. Значения параметров режима бурения устанавливаются при проектировании бурения скважины инженером-технологом и реализуются в процессе бурения бурильщиком. Величины параметров выбираются для каждого интервала бурения в зависимости от разновидности бурения, вида ПРИ, свойств буримых пород, глубины интервала, кривизны ствола скважины и других геологических, технологических и технических условий бурения. В процессе бурения величины параметров режима бурения корректируются бурильщиком в соответствии с конкретной обстановкой.

Для того, чтобы разрушать породу на забое скважины и обеспечивать углубку скважины необходимо на резцы (коронка) или зубки (долота) передавать осевое усилие, необходимое для разрушения породы. Такое усилие называется «осевая нагрузка» на породоразрушающий инструмент – ПРИ (коронку или долото) - Сос. Не надо путать осевую нагрузку – это сосредоточенная, сила, с понятием давление на забой, что означает, в нашем случае, гидростатическое давление столба очистного агента на поверхность забоя скважины (давление в физике обозначается буквой – Р). Существуют различные формы разрушения горных пород: адгезионное (на молекулярном уровне), эрозионное, поверхностное истирание – это формы микроскопического разрушения и явно не пригодные для реального бурения, и формы объемного разрушения – резанье, скалывание, раздавливание, дробление, обеспечивающие реальные скорости разрушения породы и, соответственно, скорости углубки скважины. В зависимости от свойств горных пород могут преобладать те или иные формы разрушения или (что чаще) происходит их совместное действие. Эффективно бурение может происходить лишь при условии, что осуществляется объемное разрушение породы. Величина осевой нагрузки на ПРИ обязательно должна обеспечивать объемное разрушение породы. Это условие определяется выражением:

Сос. >[σ]пор · Sк

Где: [σ]пр - предел прочности породы при внедрении в нее резца, Sк - площадь контакта резца с породой. Для объемного разрушения породы необходимо, чтобы Сос. была больше произведения предела прочности породы на контактную площадь резца. В большинстве случаев глубина внедрения резца в породу или глубина разрушаемого слоя породы пропорциональна величине осевой нагрузки. Поскольку при колонковом бурении порода разрушается коронкой, имеющей несколько резцов на одной линии резанья, то за один оборот порода на забое будет разрушена на глубину равную сумме глубин резанья всех резцов на линии резанья. Эта величина называется «углубка за оборот». В упрощенном виде зависимость hоб. может быть выражена формулой:

hоб. =

Если принять, что величина внедрения резца (глубина резанья) и углубка за оборот не зависят от частоты вращения ПРИ, то скорость углубки т.е. механическая скорость бурения будет прямо пропорциональна Сос., поскольку Сос = hоб · n

Vм =

При этом надо учитывать, что пропорциональный рост скорости углубки от осевой нагрузки будет только после достижения объемного разрушения породы. С другой стороны, пропорциональный рост скорости бурения при росте Сос. продолжается до определенного предела, зависящего от ряда забойных факторов. Характер зависимости скорости углубки от Сос. приведен на Рис.21.

Ср.

мягк

Vм.

1 - Сос< [σ]п ·Sк Сос.

Рис 21.

На графике видно, что для мягких пород объемное разрушение наступает при минимальной нагрузке и сразу растет пропорционально нагрузке. Для скальных пород при Сос. меньше предела прочности породы, углубки практически нет и эта зона называется «зона поверхностного истирания» зона – 1 (Сос < [σ]пор), далее начинается объемное разрушение породы и скорость углубки пропорционально растет с ростом Сос. Эта зона – «зона пропорциональности» (зона – 2). Как видно из графика, после достижения Сос. определенной величины пропорциональность или плавно, или резко нарушается и дальнейший рост скорости углубки или замедляется, или даже скорость углубки снижается, вплоть до полной остановки бурения. Эта зона «зона неблагоприятных факторов» (зона - 3). Границы зон и угол наклона кривых, приведенных на графике, зависят от физикомеханических свойств пород, от характера разрушения породы и от геометрии и состояния резцов коронки. Верхняя граница пропорциональной зоны зависит от ряда забойных факторов. Кроме того ограничение верхних значений Сос. может зависеть от внешних факторов.

Забойные факторы:

1. Условия удаления разрушенной породы из под торца коронок – «очистка забоя». Если порода недостаточно быстро или недостаточно полно удаляется с забоя, происходит «зашламование забоя», приводящее к снижению скорости бурения. При бурении мягких пород – резцы отделяют крупные куски породы, которые не успевают выноситься потоком очистного агента, или при слишком большой Сос., резцы целиком погружаются в породу и торец коронки упирается в забой спрессовывает породу и мешает ее удалению – в таких случаях бурение может полностью остановиться. При бурении в скальных породах зашламование забоя может происходить в самых крепких породах при бурении алмазными коронками, где зазор между забоем и торцом коронки очень мал и с ростом Сос и, соответственно, глубиной внедрения алмазов, отделяемая порода коснется торца коронки, будет уплотняться, спрессовываться и не сможет удаляться промывочной жидкостью, и бурение может остановиться.

2. Износ (затупление) резцов коронки. С ростом Сос. может происходить рост интенсивности износа резцов. Особенно это характерно для твердосплавных резцов. Рис 22.

J

1. Слабый износ 3

2. Средний износ 2

3. Катастрофический

износ после Сос кр.

1

		Сос

Рис 22.

3. Разрушение резцов. При слишком большом повышении Сос. (в погоне за увеличением скорости бурения), резцы как твердосплавные, так и алмазные могут просто разрушаться – скалываться, раздавливаться.

4. Конушение коронки и скважины. При больших Сос. резцы коронки могут подгибаться внутрь, коронка примет конусную форму и скважина тоже будет сужаться т.е. «конуситься». Подобное явление может происходить и за счет более интенсивного износа твердосплавных резцов по наружной поверхности при бурении в очень твердых породах (например пневмоударниками и гидроударниками)

5. К забойным факторам можно отнести влияние величины Сос. на возможность получения

качественного керна. В ряде пород, особенно полезных ископаемых, с ростом Сос. может

происходить раскалывание столбика керна и его последуюшее истирание, вплоть до пол-

ного разрушения

Кроме забойных факторов, Сос. может серьезно ограничиваться с учетом ее влияния на внешние обстоятельства бурения:

1.С увеличением Сос, заметно увеличивается интенсивность искривления скважины и там, где такое искривление недопустимо, и невозможно применить УБТ (скважины малого диаметра и другие причины), необходимо ограничивать Сос.

2. Прочность бурильных труб - при больших значениях Сос возможны обрывы бурильной колонны.

3. Возникновение вибрации бурильных труб, приводящей к ухудшению условий бурения и к обрывам бурильной колонны.

4. Резкое возрастание крутящего момента и в результате недостаточность мощности

привода бурового станка.

В настоящее время параметр Сос широко используется для управления процессом бурения. По справочной литературе, рекомендациям, прилагаемым к ПPИ и по производственному опыту определяют примерный диапазон величины Сос для каждого конкретного случая (сочетания породы - ПРИ). Затем в процессе работы подбирают оптимальную (рациональную) величину Сос, ориентируясь на минимальную себестоимость и максимальную производительность, т.е. стремясь получить максимальную рейсовую скорость бурения при минимальном износе ПРИ.

Дата добавления: 2014-01-07