Физика разрушения горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин

С увеличением твердости горной породы затрудняется внедрение породоразрушающих элементов вооружения долот в породу. Это приводит к снижению вклада тангенциального усилия в эффективность разрушения горной породы на забое скважины. По этой причине необходимо не только хорошо представлять механизм разрушения горной породы под вдавливаемым в неё индентором, обладающим различной геометрией (цилиндр,

конус, сфера и пр.), но и искать возможности для облегчения внедрения индентора в породу под действием осевого усилия для повышения эффективности разрушения.

В зависимости от соотношения упругих и пластических свойств разрушаемой горной породы отделение слоя горной породы от забоя будет проходить различно. Если порода пластичная, то будет реали-зовываться сливная стружка, с ростом упругих свойств горной породы будет реализовываться скалывание горной породы перед передней гранью инструмента, создающего тангенциальное усилие (сдвиговая и отрывная стружка).

Реализация разрушения горных пород резанием при использовании лопастных долот происходит с помощью породоразрушающих эле-ментов – лезвий долота, имеющих в основном несимметричную форму.

Разрушение горной породы лопастным долотом реализуется при суперпозиции двух движений – под действием постоянно действующего осевого усилия F, обеспечиваемого весом бурильной колонны, лопасть долота внедряется в горную породу, вызывая ее разрушение под пятном контакта; под действием силы резания T происходит разрушение породы перед передней гранью инструмента после предварительного сжатия породы.

Разрушающее воздействие лопастного долота на горную породу действием силы F усиливается возникновением динамической нагрузки из-за накопления упругой энергии в бурильной колонне и неоднородности свойств горной породы. В этом случае горная порода дополнительно разупрочняется вследствие возникновения волн напряжений. Действие динамического нагружения будет наиболее эффектно при разрушении хрупких горных пород. С увеличением пластических свойств большее разрушение горной породы совершается силой резания T.

У шарошечного долота дополнительная способность разрушать горную породу сдвигом обеспечивается конструкционным путем: выносом вершины основного конуса шарошки за ось долота на величину f, смещением осей шарошек относительно центра забоя (оси долота) в плане на величину kв направлении вращения долота, созданием многоконусных шарошек. Появление скалывающего эффекта при кратковременном проскальзывании зубьев долота вдоль забоя без вращения шарошки вокруг своей оси связано с возникновением мгновенной оси вращения, проходящей через точку пересечения осей шарошки и долота и через нескользящую точку, расположенную на образующей конуса, контактирующего с забоем.

Скорость поперечного скольжения точек шарошки (контактирующих с забоем зубьев долота) относительно забоя при известном направлении мгновенной оси вращения определится выражением

Vск = W·r ,

где W = [wд2 + wш2 + 2wдwш cos(wдwш) ]0,5 – абсолютная мгновенная угловая скорость вращения шарошки,

r – расстояние зуба долота от мгновенной оси вращения.

Проскальзывания при работе шарошечного не происходит лишь в том случае, когда между передаточным отношением долота и радиусом шарошки rш, радиусом долота Rд выполняется условие

wд / wш = rш / Rд,

справедливое для всех венцов. В этом случае абсолютная скорость рассматриваемых зубцов шарошки (скорость скольжения зубцов шарошки)

Vск = wшrш – wдRд

равна нулю. Такие шарошки называют шарошками чистого качения. При перекатывании такой шарошки по горной породе между последней и зубом шарошки возникает трение качения, а не трение скольжения (как в случае резания горной породы лопастным долотом), поэтому абразивный износ шарошек существенно меньше. Напомним, что разрушение горной породы забоя скважины эти шарошки осуществляют дроблением, возникающим в результате удара зубца по забою, и последующим смятием, раздавливанием горной породы при внедрении зубца в забой.

Проскальзывание приводит к резанию (если порода пластичная) или скалыванию (если порода упругохрупкая) поверхностного слоя горной породы забоя. Возникающее скольжение элементов вооружения увеличивает объем разрушенной горной породы за один оборот долота, приводит к росту механической скорости бурения.

Величина смещения k осей шарошек относительно центра забоя (оси долота) у долот различного типа следующая: у долот типа М смещение равно 8 мм и более (высокая скалывающая способность), типа С – 5 мм (средняя скалывающая способность), долот типа Т – 0,05 мм (низкая скалывающая способность).

Степень проскальзывания шарошек характеризуется коэффициентом скольжения (проскальзывания) Кск, величина которого определяется отношением суммарной площади проскальзывания зубьев за один оборот долотаSск к площади всего забоя скважиныSз:

Кск = Sск / Sз.

В зависимости от конструкции долота величина коэффициента скольжения изменяется от 0,1 (для твердых пород) до 20 % (для мягких пород). Появление трения скольжения при работе таких долот вызывает существенный рост абразивного износа долот.

Долота типа СТ, Т, ТК, К, ОК изготавливаются практически без смещения осей цапф лап относительно оси долота. Эти долота разрушают горные породы, главным образом за счет вдавливания в забой и ударного воздействия твердосплавных штырей и зубьев по забою скважины.

Использование при разбуривании твердых горных пород шарошеч-ных долот с практически нулевой скалывающей способностью связано как с увеличением сопротивления горной породы скалыванию, наблю-дающемуся с ростом твердости горной породы, так и с увеличением абразивного изнашивания вооружения долота. Последнее особенно заметно при бурении абразивных горных пород.

Положительной стороной скольжения вооружения вдоль забоя яв-ляется и улучшение очистки забоя от шлама.

К сказанному добавим, если при использовании лопастного долота его вращение при наличии вдавливающего усилия способствует раз-витию сдвигов в возникающем под лопастью (под пятном контакта) ядре сжатия горной породы (искусственное стимулирование сдвиговой неустойчивости, обеспечивающее облегчение сдвигового разрушения горной породы ядра сжатия под пятном контакта и внедрение лопасти в поверхность забоя), то при применении шарошечных долот такое сти-мулирование сдвиговой неустойчивости исчезает именно там, где оно крайне необходимо: при бурении твердых горных пород.

Использование проскальзывания для стимулирования сдвиговой неустойчивости горных пород, обладающих большой твердостью, будет возможно только при разработке новых конструкционных материалов, способных сопротивляться абразивному изнашиванию в условиях боль-ших контактных давлений и повышенных температур.

7. ЭНЕРГЕТИКА ДРОБЛЕНИЯ ШЛАМА НА ЗАБОЕ СКВАЖИНЫ И ОЧИСТКА ЗАБОЯ

Обеспечение больших механических скоростей при бурении скважин невозможно при несовершенной промывки забоя скважины. Разрушение горной породы, происходящее при бурении, приводит к появлению на поверхности забоя продуктов разрушения – шлама. Плохо организованная промывка забоя скважины приводит к накоплению шлама на забое, происходит зашламование забоя. В этих условиях породоразрушающий инструмент вместо разрушения породы забоя осуществляет вторичное разрушение частиц шлама, происходит переизмельчение шлама.

 Скачать реферат