Влияния параметров режима бурения на износ долота и показатели его работы.

Как показывают широкие исследования и многолетний производственный опыт, оптимизация технологического режима бурения требует определенного соответствия величин режимных параметров в комплексе.  Однако для

выяснения роли каждого режимного параметра в достижении оптимального уровня используется методика исследований, по которой в стабильных условиях изучают изменение показателей бурения при варьировании только одного режимного параметра Таким образом, было выяснено влияние осевой нагрузки, частоты вращения инструмента и подачи бурового раствора на эффективность работы породоразрушающего инструмента и его износостойкость. Поскольку тестирование в таких случаях проводится на протяжении короткого отрезка времени, то показателем эффективности работы инструмента может служить механическая скорость проходки и ее зависимость от исследуемого параметра.

Нагрузка на долото Рд — один из основных режимных параметров. Она определяет удельное давление на контакте между рабочим элементом породоразрушающего инструмента (зубцом, резцом и т.п.) и горной породой на забое скважины. От контактного давления зависит интенсивность воздействия инструмента, глубина проникновения рабочих органов в забой, особенность процесса разрушения горной породы. В общих чертах зависимость характера разрушения горной породы от контактного давления можно проследить на примере разбуривания хрупкой или упругопластичной породы (рис. 6.3).

На основании анализа зависимости механической скорости от контактного давления выделяют три характерные зоны:

зона I (участок ОА) — контактное давление ниже предела усталости горной породы, разрушение породы в виде поверхностного износа вследствие трения, скорость проходки прямо пропорциональна контактному давлению. В т. А контактное давление достигает предела усталости. Предел усталости рд — это наименьшее контактное давление, при котором многократное приложение нагрузки вызывает развитие трещин в породе, приводящее к объемному разрушению. Предел усталости какой-либо горной породы в 20 — 30 раз ниже показателя ее твердости. Чем более неоднородна и хрупка горная порода, тем меньшее количество циклов нагружения требуется для ее разрушения;

Рис. 6.3. Зависимость мгновенной скорости проходки Vмгн от давления на контакте зубца с породой рк

зона II (участок АВ) — контактное давление превышает предел усталости, но остается ниже уровня, соответствующего твердости горной породы в забойных условиях рв. Отмечается появление трещин, сколов после многократного воздействия нагрузки. По мере увеличения контактного давления интенсивность развития трещин и глубина их проникновения растут, а требуемое количество циклов нагружения снижается;

зона III (участок ВС) — контактное давление превосходит твердость горной породы в забойных условиях. Объемное разрушение горной породы происходит при единичном акте нагружения. На начальном участке наблюдается прямо пропорциональная зависимость между контактным давлением (нагрузкой на долото) и скоростью. Участок ВС демонстрирует тенденцию последующего роста скорости бурения с повышением нагрузки на долото, однако на практике для каждого конкретного сочетания долото — горная порода существует некоторый предел нагрузки, при которой достигается максимальная глубина внедрения рабочих элементов в породу.

При дальнейшем увеличении нагрузки механическая скорость проходки не растет. Оптимальный уровень нагрузки на долото связан с твердостью горной породы и с ее ростом повышается. Вместе с тем на величину оптимальной нагрузки для конкретной пары долото — горная порода оказывает влияние степень очистки забоя от шлама, конфигурация забоя скважины, высота зуба и т.д. С улучшением очистки забоя от шлама (кривая ВС) оптимальный уровень нагрузки повышается (сравните с кривой ВС).

К определению оптимального уровня нагрузки на долото обычно подходят с точки зрения обеспечения режима наиболее эффективного объемного разрушения горной породы, т.е. из условия, что создаваемое контактное давление будет не ниже твердости горной породы в забойных условиях.

Для вычисления нагрузки на шарошечное долото В.С. Федоровым и другими исследователями рекомендована формула

где а — коэффициент, учитывающий изменение твердости горной породы в конкретных условиях забоя скважины, α = 0,33 + 1,59; рш — твердость горной породы по штампу; kп — коэффициент перекрытия шарошечного долота; Dд, — диаметр долота; b — ширина площадки притупления зубца, обычно принимается равной 1 мм.

Так как невозможно с достаточной точностью прогнозировать твердость горной породы в забойных условиях, расчетное значение нагрузки приходится корректировать по результатам практической проверки. Рекомендуемая нагрузка не должна превышать предельно допустимых ее значений .

На практике нагрузка на долото иногда лимитируется неблагоприятными условиями в стволе скважины (высокая кавернозность, частая перемежаемость горных пород, искривление скважины и т.п.) и прочностью бурильной колонны.

Частота вращения инструмента существенно влияет на условия и показатели работы породоразрушающего инструмента. Частоту вращения регулируют по-разному в зависимости от способа бурения: в роторном бурении она может ступенчато изменяться в некоторых пределах, которые обусловлены технической характеристикой буровой установки, в то же время привод на постоянном токе допускает ее плановое регулирование в широких пределах; в турбинном бурении частота вращения инструмента изменяется в зависимости от крутящего момента на валу турбобура в соответствии с его рабочей характеристикой; при использовании электробура  во  всем  рабочем диапазоне нагрузок  частота  вращения его вала изменяется весьма незначительно.

В простейшем виде зависимость механической скорости проходки от частоты может быть выражена следующим образом:

где  — проходка ствола скважины за один оборот инструмента; n - частота вращения, об/мин.

На рис. 6.4 зависимость Vm = f(n) должна быть представлена прямой линией, угол наклона которой к оси абсцисс определяется величиной б. В действительности зависимость вида / наблюдается только при использовании некоторых типов породоразрушающего инструмента (алмазных долот, мелкоалмазных и имирегнированных коронок, долот типа ИСМ в твердых породах). И в то же время для многих иных видов породоразрушающего инструмента (например, дkя шарошечных долот) на полученной экспериментальным путем зависимости заметно выполаживание [кривая 2 на рис. 6.4). Анализируя полученную зависимость, можно предположить, что, начиная с некоторого порога частоты, проходка за один оборот становится функцией частоты.

Продолжительность взаимодействия рабочего органа с забоем зависит от частоты вращения инструмента и снижается с ее ростом. Чтобы взаимодействие завершилось разрушением, необходимо некоторое время на развитие полной деформации и разрушение горной породы.

В хрупких породах деформация происходит за несколько миллисекунд.

Рис. 6.4. Зависимость механической скорости проходки Vm от частоты вращения долота n