Вплив параметрів режиму буріння та інших факторів на механічну швидкість буріння

Механічна швидкість буріння є функцією багатьох змінних. При відомих властивостях гірських порід механічна швидкість характеризує ефективність руйнування їх, правильність підбору і відробки доліт, способу буріння і режимних параметрів, величину підведеної на вибій потужності і її використання. Якщо в однакових породах і інтервалах однієї свердловини швидкість нижче, ніж в інший, треба поліпшувати режим буріння.

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

► 8.2.1. Вплив осьового навантаження на долото

Руйнування гірської породи на вибої механічним способом неможливе без створення осьового навантаження на долото. На рис. 8.1 показана залежність механічної швидкості буріння від осьового навантаження на тришарошкове до­лото при розбурюванні м'яких (крива 1), середньої твердості (крива 2), твердих (крива 3) і міцних (крива 4) порід при постійній низькій (до 2 с^-1_,) частоті обертання (≈ 60 хв^-1) та достатній секундній витраті промивної рідини за короткий проміжок часу, коли зношуванням долота можна нехтувати.

Рисунок 8.1—Вплив осьового навантаження на механічну швидкість буріння (тришарошкове долото)

Як видно з рис. 8.1, механічна швидкість буріння зростає із збільшенням осьового навантаження, але темп її росту для м'яких порід вищий ніж при руйнуванні твердих порід, так як величина заглиблення зубців при однаковому навантаженні в таких породах більша.

Навантаження на долото визначає питомий тиск у зоні контакту елемента озброєння до­лота з гірською породою, що впливає на глибину проникнення індентора в породу та інтенсив­ність її руйнування (часто приймають поглиблення за один оберт d_о). Якщо швидкість обертання долота незмінна і забезпечується достатня чистота вибою, величина механічної швидкості буріння зростає із збільшенням осьового навантаження Gд так, як це показано на рис. 8.2.

На основі аналізу залежностей механічної швидкості проходки від осьового навантаження при розбурюванні крихких або крихко-пластичних порід Л.О. Шрейнер виділив три характерних види руйнування.

Вид І. Ділянка ОА відповідає низьким осьовим навантаженням і характеризується тим, що механічна швидкість vm збільшується прямо пропорційно осьовому навантаженню Gд. 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 поверхні при прослизанні зубка). При цьому утворюється дрібний шлам розміром частинок від горохоподібних до міліметрів. Такий вид руйнування називають поверхневим.

Під питомим навантаженням розуміють відношення навантаження на долото Gд до його діаметра.

Вид II. На ділянці 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 однократному ударі. При повторних ударах зубків по тому ж майданчику зростає крихкість породи, виникають втомні мікротріщини, які при кожному новому ударі розвиваються углиб до тих пір, поки при черговому ударі не відбудеться виколювання.

Рисунок 8.2 − Графік залежності механічної швидкості буріння від осьового навантаження

Таким чином, руйнування породи носить об'ємний характер і відбувається внаслідок втомних явищ. Чим більше зростає осьове навантаження, тим менше ударів потрібно для руйнування. Отже, з підвищенням осьового навантаження інтен­сивність розвитку тріщин і глибина їх проникнення зростають, тобто зростає механічна швидкість буріння. Шлам за розмірами більший, ніж при поверхневому руйнуванні. Цю ділянку називають областю об'ємно – втомного руйнування(інколи – втомним руйнуванням).

Вид ІІІ. Ділянка ВС відповідає осьовим навантаженням, що забезпечують контактні тиски, вищі за твердість гірської породи у вибійних умовах. Тут відбувається об'ємне руйнування по­роди, тобто вона руйнується при кожному ударі зуба долота в поро­ду. Шлам, що утворюється при цьому, більший, розмір його части­нок залежить від властивостей породи і від того, який стрибок руйнування переважно досягається. При другому і третьому стрибках розміри уламків шламу, в основному, майже дорівнюють лінійним розмірам площадки контакту окремого зуба. В цій області на кривій може бути декілька максимумів, що належать до відповідних стрибків крихкого руйнування (перший — першому, другий — другому і т.д.). Питомі енергозатрати на руйнування одиниці об'єму породи суттєво нижчі, ніж у перших двох областях. Такий вид руйнування називають об'ємним.

Як бачимо на рис. 8.2 ділянка ВС показує тенденцію зростання v_m з підвищенням осьового навантаження при об'ємному руйнуванні. Але реально для кожного конкретного співвідношення «долото—гірська порода» існує деяке граничне значення навантаження, перевищення якого не призводить до суттєвого зростання механічної швидкості буріння.

Тобто, швидкість руйнування породи і відповідно v_m спо­чатку підвищуються, а потім темп їх зростання зменшується.

Воно може бути зумовлене обмеженою висотою зуба, ступенем очищення вибою від шламу, стрибкоподібним характером руйнування гірської породи, конфігурацією вибою свердловини та ін. Наприклад, покращення очищення вибою від шламу (крива ВС) підвищує v_m. При поганому очищенні вибою v_m зменшується (криві ВС' і ВС").

Це пояснюється тим, що при недостатньому очищенні вибою на ньому (вибої) накопичуються раніше зруйновані частинки, які не встигли переміститись в наддолотну зону (затрубний простір). Це приводить до повторного подрібнення вже зруйнованої породи, до запресування западин між зубами долота дрібними уламками, до поломки зубів, тощо. Все це спочатку сповільнює ріст швидкості буріння, а потім може і знизити її. Цю зону називають зоною недостатнього очищення вибою.

► 8.2.2. Вплив частоти обертання долота

Частота обертання долота суттєво впливає на умови і показники роботи бурового долота, її вплив на механічну швидкість буріння наочно пояснюється залежністю

(8.2)

де — заглиблення за один оберт долота;

— частота обертання долота, с^-1.

Так, при бурінні шарошковими долотами збільшення веде до зростання числа поражень вибою зубцями шарошок, а також до збільшення швидкості удару зубців в породу (динамічна складова). Все це підвищує ефект руйнування породи долотом, викликає зростання механічної швидкості буріння. Разом з тим частота обертання долота різко скорочує довговічність долота.

На рис. 8.3 показана, за Є.К. Юніним, залежність v_m і від частоти обертання долота . Але лінійна залежність механічної швидкості від при = idem спостерігається тільки при певних умовах буріння, коли використовуються алмазні долота і бурильні головки, а також долота ІНМ у твердих породах.

Рисунок 8.3 − Графіки залежності заглиблення за один оберт і механічної

швидкості буріння від частоти обертання долота

Для шарошкових доліт при навантаженнях, які забезпечують об'ємне руйнування гірської породи, за­лежність = idem характерна тільки до певної частоти обертання долота, починаючи з якої ₀ () зменшується і порушується лінійний зв'язок між механічною швид­кістю буріння та (рис. 8.3). Причому, при подальшому підвищенні може спостерігатися і зменшення v_m.

► Це можна пояснити таким чином:

По-перше, із зміною частоти обертання долота міняється число поражень вибою зубками шарошкового долота.

Так як з ростом частоти обертання скорочується тривалість контакту зуба з породою, то при великих частотах тривалість контакту може бути недостатньою для реалізації підведеної енергії. Тобто, для того, щоб взаємодія зуба долота з породою завершилась руйнуванням, необхідний певний час на розвиток деформації і руйнування гірської породи. При підвищенні частоти обертання час контакту зменшується в обернено пропорційній залежності. У крихких твердих породах деформація розвивається з більшою швидкістю, ніж у пружнопластичних і пластичних породах. Отже, в крихких породах максимум v_m досягається при більш високих , ніж для пружнопластичних і пластичних порід. Це було доведено дослідним шляхом.

По-друге, для видалення подрібненої або сколеної породи також 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, при малій частоті обертання долота проміжок часу, протягом якого залишається розкритою тріщина в породі, що утворюється при проникненні зубка, достатній для того, щоб в цю тріщину проник фільтрат бурового розчину (або сам розчин). Тиск на частинку зверху і знизу (див. дальше про тиск пригноблення) практично порівнюється і тріщина не може стулитися після відриву зубка від породи. В цьому випадку відриви сколеної частинки від вибою і її видалення полегшуються. При збільшенні ж частоти обертання зменшується проміжок часу, протягом якого тріщина розкрита, і фільтрат може заповнювати її. Якщо ж цей проміжок стане вельми малим, фільтрат в тріщину не встигне проникнути, тріщина після відриву зубка шарошки від породи стулиться, а притискувальна сила і фільтраційна кірка будуть утримувати частинку, перешкоджати її видаленню із вибою. Тому на вибої збережеться шар сколених, але не видалених частинок, які будуть повторно розмелюватися зубцями долота.

Оскільки через неповноту очищення вибою величина поглиблення за один оберт долота d₀ із збільшенням частоти обертання (кутової швидкості w) зменшується, то механічна швидкість Vм буде зростати пропорційно частоті обертання долота (рис. 8.3).

По-четверте, внаслідок демпферуючого ефекту раніше розбуре­них (зруйнованих), але не видалених з вибою частинок породи, зменшується сила удару зубів долота в породу і коефіцієнт динамічності.

По-п'яте, з ростом частоти обертання інтенсифікується знос зубів шарошок, що приводить до зменшення величини контактного тиску зубів на породу.

Механічне руйнування гірських порід (поглиблення) при бурінні долотом має складний характер. По кількісних показниках поглиблення не можна судити про вплив того або іншого параметра на ефект руйнування гірських порід: їх дія завжди комплексна.

Найбільш ефективне поглиблення свердловини можливе тільки в тому випадку, якщо вибій повністю очищається від шламу; інакше розбурена порода чинить додатковий опір роботі долота, унаслідок чого механічна швидкість буріння і проходка на долото нижче за розрахункові величини.

Досвід показує, що техніко-економічні показники роботи бурових доліт в значній мірі залежать від режиму промивання свердловини та технологічних властивостей (якості) бурового розчину.

► 8.2.3. Вплив витрати (кількості) промивальної рідини

Витрата (кількість) промивної рідини при бурінні повинна забезпечувати:

• чистоту вибою та ствола свердловини;

• охолодження долота;

• сприяння ефективному руйнуванню породи;

---

Дата добавления: 2015-07-25