Основы выбора осевой нагрузки на ПРИ

ля того чтобы разрушать породу на забое скважины и обеспечивать углубку скважины необходимо на резцы коронки или зубки долота передавать осевое усилие, необходимое и достаточное для разрушения породы. Такое усилие называется «осевая нагрузка» на породоразрушающий инструмент – ПРИ (коронку или долото) - Fос. Не надо путать осевую нагрузку – это сосредоточенная, сила, с понятием давление на забой, что означает, в нашем случае, гидростатическое давление столба очистного агента на поверхность забоя скважины (давление в физике обозначается буквой – Р, поэтому употребление обозначении Рос -неправильно!, но, к сожалению, часто употребляется в литературе). Существуют различные формы разрушения горных пород: адгезионное (на молекулярном уровне), эрозионное, поверхностное истирание – это формы микроскопического разрушения и явно не пригодные для реального бурения, и формы объемного разрушения – резанье, скалывание, раздавливание, дробление, обеспечивающие реальные скорости разрушения породы и, соответственно, скорости углубки скважины. В зависимости от свойств горных пород могут преобладать те или иные формы разрушения или (что чаще) происходит их совместное действие. Эффективно бурение может происходить лишь при условии, что осуществляется объемное разрушение породы. Величина осевой нагрузки на П.Р.И. обязательно должна обеспечивать объемное разрушение породы. Это условие определяется выражением:

F_ос >[σ]_пор. · S_к.

Где: [σ]_пор- предел прочности породы при внедрении в нее резца, S_к - площадь контакта резца с породой. Для объемного разрушения породы необходимо, чтобы F_ос была больше произведения предела прочности породы на контактную площадь резца. При объемном разрушении, в большинстве случаев глубина внедрения резца в породу или глубина разрушаемого слоя породы – hр. пропорциональна величине осевой нагрузкиh_р. ≡ К ∙ F_ос.

Поскольку при колонковом бурении порода разрушается коронкой, имеющей несколько резцов на одной линии резанья, то за один оборот порода на забое будет разрушена на глубину равную сумме глубин резанья всех резцов (или групп резцов) на линии резанья. Эта величина называется «углубка за оборот» - hоб. В упрощенном виде зависимость h_об. = ∑ h_р. может быть выражена формулой:

Где: Кпор. и Кр. – коэффициенты, учитывающие свойства породы и параметры резцов, m – число резцов на линии резанья.Если принять, что величина внедрения резца (глубина резанья) и углубка за оборот не зависят от частоты вращения П.Р.И., то скорость углубки, т.е. механическая скорость бурения, будет прямо пропорциональна F_ос, поскольку Vм. = h_об.· n

При этом надо учитывать, что пропорциональный рост скорости углубки от осевой нагрузки будет только после достижения объемного разрушения породы. С другой стороны, пропорциональный рост скорости бурения при росте F_ос продолжается до определенного предела, зависящего от ряда забойных факторов. Упрощенный характер зависимости скорости углубки от F_ос приведен на Рис.22.

Рис. 22

На графике видно, что для мягких пород объемное разрушение наступает при минимальной нагрузке и сразу растет пропорционально нагрузке. Для скальных пород при F_осменьше предела прочности породы резец скользит по поверхности забоя, углубки практически нет, и эта зона называется «зона поверхностного истирания» - зона 1 F_ос. < [σ]_пор. · S_к. Далее начинается объемное разрушение породы, и скорость углубки может пропорционально расти с ростом F_ос..Эта зона – «зона пропорциональности» (зона – 2). Как видно из графика, после достижения F_ос.определенной величины пропорциональность или плавно, или резко нарушается и дальнейший рост скорости углубки или замедляется, или даже скорость углубки снижается, вплоть до полной остановки бурения. Эта зона «зона неблагоприятных факторов» (зона - 3). Границы зон и угол наклона кривых, приведенных на графике, зависят от физикомеханических свойств пород, от характера разрушения породы и от геометрии и состояния резцов коронки. Верхняя граница пропорциональной зоны зависит от ряда забойных факторов. Кроме того, ограничение верхних значений F_осможет зависеть от внешних факторов.

Забойные факторы:

1. Условия удаления разрушенной породы из-под торца коронок – «очистка забоя». Если порода недостаточно быстро или недостаточно полно удаляется с забоя, происходит «зашламование забоя», приводящее к снижению скорости бурения. При бурении мягких пород – резцы отделяют крупные куски породы, которые не успевают выноситься потоком очистного агента, или при слишком большой F_ос.,резцы целиком погружаются в породу и торец коронки упирается в забой, спрессовывает породу и мешает ее удалению – в таких случаях бурение может полностью остановиться. При бурении в скальных породах зашламование забоя может происходить и в самых крепких породах при бурении алмазными коронками, где зазор между забоем и торцом коронки очень мал. С ростом F_ос.и, соответственно, глубиной внедрения алмазов, отделяемая порода коснется торца коронки, будет уплотняться, спрессовываться, и не сможет удаляться промывочной жидкостью, и бурение может остановиться.

2. Износ (затупление) резцов коронки. С ростом F_ос может происходить рост интенсивности износа резцов. Особенно это характерно для твердосплавных резцов.

Рис. 23. В зависимости от пород: 1. Слабый износ 2. Средний износ 3. Катастрофический износ после Fос кр.

.

3. Разрушение резцов. При слишком большом повышении F_ос (в погоне за увеличением скорости бурения), резцы как твердосплавные, так и алмазные могут просто разрушаться – скалываться, раздавливаться.

4. Конушение коронки и скважины. При больших F_ос резцы твердосплавной коронки могут подгибаться внутрь, коронка примет конусную форму и скважина тоже будет сужаться, т.е. «конуситься». Подобное явление может происходить и за счет более интенсивного износа твердосплавных резцов по наружной поверхности при бурении в очень твердых породах Х категории и более, (например, при бурении пневмоударниками и гидроударниками)

5. К забойным факторам можно отнести влияние величины F_ос.На возможность получения качественного керна. В ряде пород, особенно полезных ископаемых, с ростом F_ос может происходить раскалывание столбика керна и его последующее истирание, вплоть до полного разрушения.

Кроме забойных факторов, F_ос может серьезно ограничиваться с учетом ее влияния на внешние (незабойные) обстоятельства бурения:

1. С увеличениемF_ос заметно увеличивается интенсивность искривления скважины и там, где такое искривление недопустимо, и невозможно применить УБТ (скважины малого диаметра и другие причины), необходимо ограничиватьF_ос .

2. Прочность бурильных труб - при больших значенияхF_ос возможны обрывы бурильной колонны.

3. Возникновение вибрации бурильных труб, приводящей к ухудшению условий бурения и к обрывам бурильной колонны.

4. Резкое возрастание крутящего момента и в результате недостаточность мощности привода бурового станка.

В настоящее время параметр F_ос используется для управления процессом бурения, главным образом при твердосплавном бурении. По справочной литературе, рекомендациям, прилагаемым к П.P.И. и по производственному опыту определяют примерный диапазон величины F_ос. для каждого конкретного случая (сочетания породы - П.Р.И.). Затем, в процессе работы подбирают оптимальную (рациональную) величину F_ос, ориентируясь на минимальную себестоимость и максимальную производительность, т.е. стремясь получить максимальную рейсовую скорость бурения при минимальном износе П.Р.И.