Расчёт оптимальной величины расхода промывочной жидкости, обеспечивающей качественную очистку забоя скважины от шлама.

Расход промывочной жидкости, обладающей определенными физико-химическими свойствами, должен быть таким, чтобы частицы разрушенной породы, образованные каким-либо элементом породоразрушающего инструмента (долота) удалялись до начала воздействия следующего элемента. При этом каждый элемент породоразрушающего инструмента постоянно будет контактировать только с породой и постоянно подвергать её разрушению. В этом случае подводимая к долоту механическая энергия будет затрачиваться только на разрушение породы; в противном случае часть этой энергии будет расходоваться бесполезно на разрушение уже образовавшихся, но не удаленных с забоя обломков породы. Однако в реальных условиях обеспечить совершенную очистку забоя от шлама не возможно из-за влияния множества факторов:

- давления на забое (бурового раствора, порового давления и бокового давления массива окружающих горных пород);

- размера и вооружения породоразрушающего инструмента;

- физико-механических свойств, разбуриваемых пород;

- типа и свойств промывочной жидкости, поступающей на забой;

- конструкции породоразрушающего инструмента и его промывочных отверстий;

режима и способа бурения;

- скорости и направления струй жидкости, истекающей из промывочных отверстий породоразрушающего инструмента.

Всесторонний анализ влияния перечисленных факторов на очистку забоя скважины от шлама выполнен Н. Маковеем [8].

В виду сложного и неоднозначного влияния указанных факторов на степень очистки забоя скважины от шлама в практике, в качестве критерия совершенства очистки, принимают величину механической скорости и проходку на долото.

Исследованиями В.С. Фёдорова [6] установлено, что с увеличением расхода Q промывочной жидкости механическая скорость бурения v_м растёт и эта зависимость описывается выражением:

v_м = , (4)

где a и b – коэффициенты, значения которых зависят от характеристик пород, типа и размеров долота, нагрузки на долото и частоты его вращения, характеристик промывочной жидкости и т. п.

При бурении скважин ГЗД зависимость механической скорости бурения от расхода промывочной жидкости становится более сложной, поскольку с изменением расхода изменяются параметры ГЗД и, в частности, частота вращения долота. Поэтому с ростом расхода промывочной жидкости механическая скорость бурения увеличивается. Однако при дальнейшем увеличении расхода темп роста механической скорости уменьшается, наблюдается её стабилизация и, даже, уменьшение. Объясняется это тем, что при увеличении расхода возрастают гидравлические потери давления в кольцевом пространстве и, как следствие, возрастает давление промывочной жидкости на забое скважины. В итоге увеличивается дифференциальное давление на поверхности забоя, препятствующее отрыву частиц от его поверхности и ухудшающее условия разрушения горной породы.

Что касается влияния величины расхода на величину проходки на долото, то следует отметить, что при роторном способе бурения и при бурении электробуром, увеличение расхода (в диапазоне роста механической скрости) всегда приводит к повышению проходки на долото.

При бурении ГЗД влияние расхода на величину проходки на долото более сложное, так как в этом случае расход влияет не только на очистку забоя, но и на параметры забойного двигателя. При увеличении расхода пропорционально увеличивается частота вращения долота из-за чего износ элементов вооружения и опор шарошек протекает более интенсивно. В результате долговечность долота, а следовательно, и проходка на долото уменьшаются и эффект увеличения механической скорости, обусловленный улучшением очистки забоя, сводится на нет.

Запишем выражение гидравлической мощности, срабатываемой в долоте

Ν_д=Q_зΔP_д, (5)

где Q_з – расход промывочной жидкости, подаваемой на забой.

Подставляя перепад давления в долоте ΔΡ_д в выражение (5) в виде ΔΡ_д=ρu /(2μ ) и деля обе части равенства на площадь забоя F_з, получим

= , (6)

гдеμ_н – коэффициент расхода промывочных каналов долота; u_н – скорость истечения жидкости из промывочных отверстий долота.

Экспериментальные исследования ряда авторов показали, что качественная очистка забоя наступает при определённых значениях удельного расхода жидкости q=Q_з!F_з и скорости истечения жидкости u_н из промывочных каналов долота. Оптимальное значение удельного расхода q, для различных условий и способов бурения, изменяется в пределах (0,35…0,80) м³/м²с. Скорость истечения u_н из промывочных каналов долота, оснащённых гидромониторными насадками, должна быть не менее 80 м/с. Максимальная величина скорости u_н ограничивается прочностью долота, уплотнением насадка и вала в шпинделе (при бурении ГЗД).

Таким образом, расчётную величину расхода промывочной жидкости, обеспечивающей качественную очистку забоя скважины от шлама, представляется возможным вычислять по формуле

Q_з=qF_з (7)

Численное значение расчётной величины удельного расхода q принимают в указанных выше пределах, учитывая свойства промывочной жидкости, способ бурения, тип и физико-механические характеристики, разбуриваемых пород.

Величину скорости истечения жидкости u_н из насадков долота вычисляют исходя из располагаемого резерва давления на выкиде насоса с учётом допустимого перепада давления на элементах уплотнения насадков - при роторном бурении, и уплотнения вала шпинделя – при бурении ГЗД. Обычно этот перепад при использовании долот отечественного производства не превышает 12…13 МПа.

Подробный алгоритм расчёта скорости истечения жидкости из насадков долота и размера насадков приведен в [10].