Тема 6 Разрушение горных пород. Механизм разрушения породы при вдавливании одиночного индикатора. Понятие о режиме бурения, его параметрах и показателях работы долота
Важнейшим видом деформации при разрушении породы большинством буровых долот является вдавливание.
Поставим штамп торцом на плоскую поверхность образца породы и приложим к нему вдоль оси силу (Р).
Под действием этой силы в некотором объеме образца, ограниченной сферой, радиус которой несколько больше радиуса штампа, возникает область всестороннего сжатия. Так как давление на поверхности образца скачком изменяется от максимума под штампом на контуре площадки контакта до нуля за контуром, то в породе на контуре контакта возникают максимальные касательные напряжения. Если силу увеличить, то при некотором критическом значении её касательное напряжения достигнут предельной величины и в породе образуется кольцевая трещина, которая будет распространятся в глубь образца по конусу, касательному к поверхности сферы на контуре штампа.
Поскольку внутри сферы главные нормальные напряжения не равны между собой, в ней также появляется касательные напряжения. Наибольшая величина касательного напряжения достигается в точке, удаленной от поверхности на расстоянии 60% радиуса штампа.
Если силу увеличить, то процесс деформации и скачкообразного разрушения повторится. Для второго скачка требуется большая сила, чем для первого.
Резец долота действуя осевой силой вдавливается в породу на некоторую глубину. Одновременно, поскольку на резец действует также окружное усиление он своей передней гранью давит на породу и деформирует её.
Таким образом, при вращении долота периодический каждый из зубцов шарошек наносит удар по породе забоя. Сила удара зубца зависит не только от статической осевой нагрузки, но также от скорости, которая, в свою очередь, является функцией угловой скорости долота, окружной скорости и амплитуды перемещения центра тяжести долота. Разрушение породы зубцом шарошки происходит как в результате удара и последующего вдавливания его под действием силы, так и в результате проворачивания зубца относительной мгновенной вертикальной оси, обусловленного тем, что оси шарошек смещены относительно осей симметрии шарошечного долота, а вершины их высажены за ось его вращения.
Эффективность разрушения породы долотом зависит от многих факторов: осевой нагрузки на долото, частоты его вращения, чистоты забоя скважины, конструкции долота, свойств породы, соотношение промывочной жидкости на забой скважины и порового давления в слоях породы, примыкающей к забою, состав и свойство промывочной жидкости.
Некоторыми из этих факторов можно управлять в период работы долота на забое либо перед спуском его в скважину; для изменения других факторов требуется время.
Совокупность тех факторов, которые влияют на эффективность разрушения породы и интенсивность износа долот и которым можно оперативно управлять в период работы долота на забое, принято называть режимом бурения,а сами факторы параметрами режима.
К параметрам режима бурения относятся: осевая нагрузка на долото, частота его вращения, секундный расход промывочной жидкости, гидравлическая мощность струи вытекающих из насадок. Сочетание этих параметров обеспечивающих нормальную работу долота называют оптимальным режимом.
Режим бурения называется специальнымесли при выборе его параметров является не достижение работы долота, а решение той или иной задачи: наиболее полный отбор керна, предотвращение искривление скважины и т. д.
Об эффективной работе долота судят по нескольким показателям: проходка, механическая скорость проходки, рейсовая скорость проходки, эксплуатационные затраты на 1 м. проходки.
В шарошечных долотах наиболее подвержены износу вооружение и тыльное калибрующие поверхности шарошек, их опоры, а также козырьки лап. При износе шарошек уменьшается высота зубьев, изменяется их геометрическая форма, несколько увеличивается площадь контакта зубцов с породой; уменьшается контактного давления зубцов на породу. С уменьшение высоты зубцов уменьшается также амплитуда колебаний центра тяжести долота и диномическая составляющая осевой нагрузки.
На износ вооружения долота влияют абразивность пород и дисперсной фазы промывочной жидкости, конструкция долота и качество материалов зубцов, параметры режима бурения.
Тема 7. Промывка скважин и промывочные растворы. Функции промывочной жидкости и требования к ней. Классификация промывочной жидкости. Влияние состава и свойств промывочной жидкости на эффективность работы долота.
Важным фактором при бурении скважины является промывка скважины. Выбор промывочной жидкости играет важную роль.
При бурении скважин в сложных горно - геологических условиях промывочные жидкости должны выполнять следующие основные функции:
1) полностью очищать забой от частиц разбуриваемых пород и удалять их на дневную поверхность;
2) создавать давление, достаточное для предотвращения притока пластовой жидкостей газов в скважину как в период бурения, так и при прекращении промывки;
3) удерживать частицы разрушенных или осыпающихся пород и иные частицы твердой фазы во взвешенном состоянии при прекращении промывки;
4) интенсивно охлаждать и хорошо смазывать трущиеся поверхности долот, забойных двигателей, бурильной колонны и других узлов оборудования;
5) препятствовать проявлениям неустойчивости пород стенок скважины;
6) передавать мощность от источника на дневной поверхности к забою;
7) способствовать сохранению коллекторских свойств продуктивных пластов;
а) обладать тиксотропными свойствами;
б) быть достаточно инертной по отношению к горным породам;
в) кольматировать поры и трещины в стенках скважины;
г) быть малочуствительной к воздействию разбуриваемых пород и пластовых жидкостей;
д) сохронять стабильность свойств в широком диапозоне изменения температуры;
е) обладать хорошей смазочной способностью;
ж) нейтрализовать те компоненты разбуриваемых пород и пластовых жидкостей, которые могут вызвать коррозию труб и оборудования;
з) допускать проведение геофизических исследований в скважине; и) содержать в основном недорогие материалы.
