Выбор величины расхода очистного агента

Рациональная величина расхода очистного агента определяется из условия выполнения трех основных задач: очистка забоя скважины, охлаждение П.Р.И, и вынос шлама по стволу скважины. Первые две задачи обязательны, без их решения бурение невозможно, третья желательна, но в крайних случаях вынос шлама по стволу может быть заменен сбором его в специальную шламовую трубу, что используется крайне редко. Наиболее важна первая задача - очистка забоя, т.к. от качества очистки забоя - полного и своевременного удаления шлама с забоя, зависит и эффективность разрушения породы и износ П.Р.И. Теоретически подсчитать рациональный расход очистного агента для качественной очистки забоя не представляется возможным, и используются практические рекомендации, основанные на экспериментальных исследованиях и производственном опыте.

Обычно рекомендуется удельный расход q- на единицу диаметра скважины Тогда общий расход очистного агента на забое Q = q·D_скв.. Эксперименты и производственный ОПЫТ показывают, что вторая задача - охлаждение ПРИ, успешно выполняется при достаточной очистке забоя, т.е., расход, принятый по первому условию обеспечивает и достаточное охлаждение ПРИ, таким образом, вторая задача решается автоматически (за исключением алмазного бурения с продувкой).

Роль величины расхода очистного агента в очистке забоя от разрушенной породы и его значение в обеспечении эффективности бурения изучена и наглядно показана в работе американского исследователя Бинхгема и изображена на графике, рис. 30

Рис. 30

Смысл зависимостей, показанных на графике, заключается в том, что для каждого конкретного случая бурения: - сочетание «коронка – порода», вид очистного агента, его расход и частота вращения П.Р.И., - существует максимальная величина углубки за оборот (скорости бурения), прямо зависящая от величины осевой нагрузки - F_ос.Линия – 1 линия максимальной углубки соответствует полной очистке забоя от разрушенной породы. Однако, в реальных условиях бурения из-за несовершенной конструкции резцов или слишком высокой скорости вращения коронки и некоторых других факторов часть разрушенной породы остается на забое независимо от расхода очистного агента, что мешает эффективному бурению и результат получается в зоне неудовлетворительной очистки забоя (ниже линии максимальной углубки - зона 3). В самых тяжелых условиях бурения ре­зультат оказывается на линии минимальной углубки - 2 (также не зависимо от расхода очистного агента). Когда величина расхода очистного агента недостаточна для своевременного удаления шлама с забоя, тогда результат оказывается ниже линии минимальной углубки в зоне недостаточной очистки забоя (зона 4). Теперь достаточно увеличить расход очистного агента, чтобы поднять скорость бурения до линии минимальной углубки. Следовательно, существует минимально необходимая величина расхода очистного агента, меньше которого шлам удаляется недостаточно и мешает бурению,

Простое увеличение расхода повышает скорость бурения до линии минимальной углубки, а дальнейшее повышение расхода ничего хорошего не дает. Это хорошо подтверждается экспериментами и производственными наблюдениями при алмазном бурении для однослойных коронок – рис. 31 а, и для импрегнированных – рис. 31 б. Для последних, даже желательно оставлять на забое некоторое количество шлама нужного для лучшего обнажения алмазов за счет опережающего износа матрицы. Большой расход выносит весь шлам, обнажение алмазиков ухудшается и скорость бурения чуть падает. Слишком большой расход может быть вреден во всех случаях, вызывая гидроподпор, снижающий осевую нагрузку, размывая керн или способствуя самозаклиниванию керна.

А	Б
Рис. 31

Расход потока для выполнения третьей функции - выноса шлама по стволу скважины может быть определен теоретически по законам гидравлики. Для того чтобы весь объем, образующегося при бурении шлама, своевременно удалялся по стволу скважины, необходимо иметь скорость восходящего потока очистного агента Vвп больше чем скорость падения наиболее крупных частиц шлама в соответствующей среде (жидкость, воздух). Для жидкости и воздуха это условие V_вп. > V_кр., где V_кр. - критическая скорость потока (скорость витания), конкретно V_вп. = V_кр. +V_ш., гдеV_ш. – необходимая скорость движения частиц шлама.

Величина критической скорости восходящего потока определяется по полуэмпирической формуле Ретингера из общей гидравлики

V

и зависит от плотности материала шлама и очистного агента (жидкости, воздуха) – ρ_тв. и ρ_ж. и размера частиц шлама - d_ш.и их формы, учитываемой коэффициентом К.При d_ш.в метрах значения К для разных форм от пластинок до шара находится в пределах 1.8 до 5,0.Для большинства случаев бурения форма частиц шлама может быть принята зернистой и значение К ≈ 4.

Однако, достижение потоком скорости —V_кр. обеспечивает лишь взвешивание частиц шлама, а для их выноса на поверхность необходимо условие V_вп. = V_кр. + V_ш. ,т.е. скорость восходящего потока - V_вп. должна быть больше V_кр. на величину скорости движения частиц шлама - V_ш. Скорость выноса шлама - V_ш.обычно задается из условия недопущения критического скопления шлама в восходящем потоке, что опасно зашламованием скважины. Пределом безопасности считается увеличение плотности жидкости в восходящем потоке на З-:-5%относительно закачиваемой чистой жидкости – ρ_ж.При известной скорости бурения и плотности пород минимальная скорость выноса шлама определяется выражением:

V .

Где: V_м. - механическая скорость бурения, S_заб. - площадь забоя, S_кп.-площадь кольцевого пространства (сечения восходящего потока при иных схемах циркуляции). Минимально допустимая V_ш.определяется подстановкой в формулу (ρ_вп. – ρ_ж.) ≤ 0,03-0,05, тем меньше, чем сложнее условия бурения. Обычно перед началом и после окончания бурения производят промывку (продувку) скважины для удаления всего скопившегося в стволе и на стенках скважины шлама. Очистка скважины будет гораздо лучше, если это делать не с неподвижной, а с вращающейся, пусть даже вхолостую, колонной труб, иначе в отдельных участках скважины образуются застойные зоны, где шлам не только не удаляется, а наоборот, скапливается (наблюдения автора).

Повторение для закрепления:

1. Схемы циркуляции:

2.Повторить функции циркуляции очистного агента:

Очистка забоя, охлаждение ПРИ, удержание шлама во взвешенном состоянии, вынос шлама по стволу скважины, смазка, понижение твердости пород на забое, борьба с осложнениями, передача энергии для забойных машин.

3. Зависимость очистки забоя от расхода очистного агента, линии максимальной и минимальной углубки, зона неудовлетворительной очистки забоя и зона недостаточной очистки забоя.

4. Существует минимальное значение расхода очистного агента, меньше которого скорость бурения падает, а больше которого скорость бурения не растет, а при слишком большом расходе даже падает из-за гидроподпора или самозаклинивания керна.

5. Скорость восходящего потока для выноса шлама:

V_ВП.= + ,

при