Влияние на искривление скважин типа и конструкции породоразрушающего инструмента

Основными параметрами породоразрушающих инструментов, оказывающими влияние на искривление скважин, являются:

  • • выпуск, степень приострения, стойкость и материал подрезных резцов, их расположение на боковой поверхности породоразрушающего инструмента;
  • • площадь торца породоразрушающего инструмента;
  • • диаметр породоразрушающего инструмента;
  • • форма профиля торца инструмента;
  • • асимметрия торца и вооружения на торце породоразрушающего инструмента.

Выпуск подрезных породоразрушающих элементов определяет разработку скважины по диаметру. В скважинах увеличенного диаметра могут наблюдаться более значительные прогиб буровой компоновки, угол перекоса породоразрушающего инструмента и более высокая по величине отклоняющая сила (см. зависимости (2.10) и (2.13)). В результате создаются условия для более интенсивного искривления скважины.

Зависимость интенсивности искривления скважин от размера подрезных алмазов (данные В. Е. Копылова)

Рис. 2.7. Зависимость интенсивности искривления скважин от размера подрезных алмазов (данные В. Е. Копылова)

На рис. 2.7 приведены данные об искривлении скважин алмазного бурения в зависимости от зернистости подрезных алмазов, указывающие на рост кривизны ствола при бурении коронками с более крупными подрезными алмазами.

Выпуск подрезных породоразрушающих элементов у алмазных коронок может составлять 0,1-0,5 мм; у твердосплавных коронок - 0,5-2,0 мм; у шарошечных долот - 1,0-2,0 мм. Замеры диаметров скважин, пробуренных в опытных стендовых условиях в блоках различных пород (породы переменной твердости, слоистые и сланцеватые), показали, что наблюдается увеличение диаметра скважин при бурении шарошечными долотами типа К (диаметр скважин составил 60-62 мм и более при диаметре долот 59 мм) в сравнении с алмазными коронками (диаметр скважин при диаметре коронок 59 мм составил не более 59,5-60 мм).

При этом следует отметить, что влияние выпуска подрезных элементов вооружения бурового инструмента на искривление скважин нельзя рассматривать без оценки фрезерующей способности коронок и долот.

Фрезерующую способность породоразрушающего инструмента оценивают через коэффициент боковой фрезерующей способности/ который учитывает различную эффективность разрушения горной породы в осевом v6 и поперечном направлениях Уф для конкретных инструментов (рис. 2.8):

Из формулы (2.16) следует, что если инструмент не обладает способностью фрезеровать стенку скважины, то Уф = 0 и, следовательно, /= 0. Если же инструмент в равной степени эффективно разрушает породу в осевом и поперечном направлениях, то скорости бурения и фрезерования равны, а значение /= 1. Таким образом, пределы изменения коэффициента боковой фрезерующей способности породоразрушающего инструмента — 0

Кривизна ствола скважины, фор- Рис. 2.8. Схема, поясняющая процесс мируемого при фрезеровании стенки

фрезерования стенки скважины _ _

с одновременным углублением забоя,

пропорциональна соотношению скоростей углубления забоя и фрезерования стенки скважины (рис. 2.8) и может определяться по формуле [31]:

где L - длина жесткой части бурового снаряда, способной без деформации вписаться в искривленный участок ствола скважины, м.

Из зависимости (2.17) следует, что факторами снижения искривления скважин при бурении являются параметры интенсификации процесса разрушения забоя и снижения скорости фрезерования стенки скважины, а также параметры устойчивости буровой компоновки.

Схема для расчета угла отклонения скважины под действием усилия Р

Рис. 2.9. Схема для расчета угла отклонения скважины под действием усилия Р01

Исследуя процесс формирования кривизны под действием отклоняющей силы Рох, рассмотрим схему на рис. 2.9.

Смещение забоя на расстояние АX в интервале углубления за один оборот коронки на забое под действием силы Рот составит угол отклонения а:

При взаимодействии алмазов со стенкой скважины и керном возможное смещение АХ за оборот вращения будет равно

где /?ф, Цф - глубина внедрения алмаза в породу и число боковых резцов в линии резания по наружному и внутреннему периметру матрицы коронки.

Углубление за один оборот коронки определим по соотношению

где пр - число резцов в линии резания на торце инструмента, участвующих в разрушении породы на забое скважины; hy - глубина внедрения резца в породу на забое, м.

Таким образом, угол отклонения забоя за один оборот коронки на забое можно найти по выражению

где/- коэффициент фрезерующей способности бурового инструмента.

Интенсивность искривления на интервале углубления за один оборот коронки на забое найдем по соотношению

Из полученных зависимостей следует, что угол отклонения а определяется коэффициентом фрезерующей способности инструмента и на малом участке ствола может достигать значительных величин, а интенсивность искривления, формируемая на локальных участках ствола, может сдерживаться за счет методов интенсификации углубления за оборот при условии, что коэффициент фрезерующей способности будет неизменен вследствие роста, например, осевого усилия на инструмент.

На более значительном интервале бурения, соизмеримого, например, с размерами буровой компоновки (длина жесткой части компоновки, длина стабилизатора над коронкой), интенсивность искривления может определяться по ранее представленной формуле (2.17).

Одним из параметров регулирования интенсивности искривления может служить также число резцов в линии резания на наружной и внутренней поверхностях боковой поверхности матрицы коронки. Решение, при котором число резцов будет максимальным, позволит снизить величину возможного отклонения ствола скважины от проектного направления. Повышение числа резцов возможно за счет увеличения высоты матрицы или за счет создания опорных поверхностей над матрицей, которые будут играть роль ограничителей поперечного смещения коронки. В данном случае целесообразно изготовление корпуса коронки с наружным диаметром, равным диаметру матрицы, и с соответствующими по размеру каналами для прохода промывочной жидкости. Последние желательно выполнить винтообразными в направлении, обратном направлению вращения бурового инструмента, для гидродинамической интенсификации процесса удаления шлама. В качестве примера подобного решения можно привести алмазное импрегнированное долото Kinetic компании Smith Bits (рис. 2.10), которое имеет удлиненный корпус с активной боковой защитой.

Выполненный анализ позволяет оценить потери осевого усилия на инструмент при отклонении его от прямолинейного направления. Снижение осевого усилия АР при отклонении скважины на угол а:

Анализ данной зависимости показывает, что потери осевой нагрузки на инструмент при появлении отклоняющего усилия, например вследствие прогиба буровой компоновки, пропорциональны коэффициенту фрезерующей способности инструмента и могут составить значительную величину при самом незначительном отклонении инструмента от прямолинейного направления, что может приводить к снижению скорости бурения и дальнейшему росту угла отклонения. Одновременно с ростом угла отклонения возрастет объем горной породы, разрушаемой боковыми резцами, что вызовет снижение ресурса бурового инструмента.

Импрегнированные алмазные долота Kinetic

Рис. 2.10. Импрегнированные алмазные долота Kinetic

Опытные работы по определению Уф, проведенные в Томском политехническом университете (ТПУ), позволили определить, что для пород V—X категорий по буримости скорость фрезерования породы при боковой отклоняющей силе 2-10 даН и частоте вращения 155-1 170 мин- может составить значения 0,3-2,0 м/ч для мягких пород и 0,3-0,7 м/ч для твердых пород при самых высоких значения отклоняющего усилия (рис. 2.11). При этом определено, что наибольшую скорость фрезерования обеспечивают алмазные инструменты, оснащенные подрезными резцами из более высококачественных алмазов изометрической формы. Во всех случаях рост отклоняющей силы сопровождался пропорциональным увеличением скорости фрезерования в породах различной буримости. Повышение частоты вращения инструмента отмечалось снижением темпа или прекращением роста скорости фрезерования Уф [14].

Известно, что механическая скорость бурения с увеличением частоты вращения инструмента непрерывно возрастает, но отношение темпа роста механической скорости бурения отстает от темпа роста частоты вращения инструмента. Отношение темпа роста частоты вращения к темпу роста механической скорости бурения уменьшается от 0,9-0,7 до 0,7-0,5 с увеличением частоты вращения от 200 до 1 200 мин-1 [11].

Таким образом, учитывая, что повышение частоты вращения равным образом влияет как на скорость фрезерования, так и на скорость бурения, можно сделать вывод, что рост частоты вращения, в отличие от действия отклоняющей силы, не может приводить к активному повышению интенсивности искривления скважин.

В то же время, поскольку отклоняющая сила Р (см. зависимость (2.10)) пропорционально повышается с ростом осевой нагрузки на инструмент, можно отметить значительное влияние данного параметра режима бурения на искривление скважин.

Зависимость скорости фрезерования от отклоняющей силы при частоте вращения 645 мин  коронкой 01АЗД40К40 диаметром 46 мм горных пород

Рис. 2.11. Зависимость скорости фрезерования от отклоняющей силы при частоте вращения 645 мин 1 коронкой 01АЗД40К40 диаметром 46 мм горных пород: 1 - известняк; 2 - аргиллит; 3 - алевропесчаник; 4 - туф; 5 - окварцованный алевролит; 6 - окварцованный песчаник

Опытные работы, проведенные в ЗабНИИ на стенде, показали, что фрезерующая способность алмазных долот примерно в 2 раза выше в сравнении с шарошечными долотами типа К.

Площадь торца (площадь опоры на породу породоразрушающих элементов) породоразрушающих инструментов при их равном диаметре оказывает значительное влияние на интенсивность искривления скважин, что объясняется, прежде всего, тем, что увеличенная площадь торца инструмента задает повышенный уровень осевого усилия, необходимого для эффективного разрушения горных пород. Как следует из ранее проведенного анализа (см. формулу (2.10)), осевая нагрузка на инструмент обеспечивает повышенную деформацию буровой компоновки, рост угла перекоса породоразрушающего инструмента на забое скважины и величины отклоняющего усилия. По этой причине скважины, буримые долотами, искривляются более интенсивно в сравнении со скважинами, бурение которых осуществляется с отбором керна.

Диаметр породоразрушающего инструмента непосредственно не оказывает влияния на рост интенсивности искривления, но влияют такие параметры, как осевая нагрузка на инструмент и жесткости колонковой или направляющей трубы и бурильных труб. При этом с понижением диаметра породоразрушающего инструмента жесткость буровой компоновки снижается более значительно (в соответствии с формулой (2.15), жесткость уменьшается вследствие снижения осевого момента инерции J в четвертой степени) в сравнении со снижением осевой нагрузки до пределов, достаточных для эффективного разрушения породы. Например, если при уменьшении диаметра долота снижение осевой нагрузки происходит в 1,5 раза, то снижение жесткости при переходе на буровую компоновку меньшего диаметра может наблюдаться в 2-3 раза. Поэтому с уменьшением диаметра бурового инструмента наблюдается рост интенсивности естественного искривления.

Форма профиля торг^а породоразрушающего инструмента оказывает влияние на интенсивность, а в ряде случаев - на направление естественного искривления скважин. При этом каких-либо четких рекомендаций пока не существует, поскольку влияние формы профиля торца необходимо связывать с конкретной горной породой, её текстурой, физико-механическими свойствами и достаточно точно с конкретными параметрами залегания.

Поэтому, как правило, наиболее стабильно и предсказуемо при формировании направления скважины ведут себя буровые инструменты с плоской или с округлой формой торца. Эти формы профилей можно считать нейтральными, т. е. отсутствует влияние на искривление скважин независимо от условий залегания горных пород.

Таким образом, при вращательном бурении в результате совокупности действующих факторов более значительное искривление могут получить скважины, буримые шарошечными долотами и долотами с резцами РОС со значительным выпуском боковых резцов, а минимальное - алмазными импрегнированными и иными долотами с малой площадью торца, с подрезными алмазами средних и крупных размеров.

При этом большое значение имеет возможность реализации бурения с высокой механической скоростью без применения высоких значений осевого усилия.

С этой целью целесообразно применение промывочных жидкостей с поверхностно-активными веществами (ПАВ), использование породоразрушающих инструментов с элементами, реализующих гидродинамическое и гидроакустическое воздействие на зоны разрушения и предразрушения породы на забое скважины, других возможных физико-химических способов интенсификации процессов деформирования и разрушения горной породы.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >