Файл: Царицын В.В. Бурение шарошечными долотами.pdf

скую скорость. Аналогичные данные получены на Бузовнинских промыслах [29], на промыслах Востока и Украины, геологические разрезы которых сложены твер­ дыми породами. Следовательно, с точки зрения очистки забоя от выбуренной породы увеличение Q независимо от породы, качества промывочного агента и модели долота всегда способствует росту механической скоро­ сти и проходки на долото.

С увеличением числа оборотов лопастные долота создают завихрения жидкости у забоя, частицы выбу­ ренной породы быстрее удаляются с забоя, чем улуч­ шается его очистка.

Шарошечные долота не создают взвешивающего эффекта для выбуренной породы, поэтому для удале­ ния шлама с забоя скважины количество прокачиваемой жидкости должно быть таким, при котором за время t, необходимое для поворота долота на угол ср, равный углу между осями шарошек, вся выбуренная порода успевала подняться на такую высоту, на которой зубья последующей шарошки не могут ее захватить и подмять.

Данные ряда исследователей [18] показывают, что для двух- и трехшарошечных долот при 100 об/мин ротора частицы породы, оторванные от забоя одной шарошкой, должны быть подняты выше относительно другой шарошки за х/ь— 3/1() сек. Следовательно, при

102

указанных условиях своевременной очистки забоя час­ тицы выбуренной породы должны подниматься над

ным долотом для обеспечения полного удаления вы­ буренной породы с забоя скважины между Q и числом оборотов долота п0б выдерживать соотношение

удаление шлама с забоя скважины обеспечивается, если поток жидкости, выходящий из промывочных насадок, достигает забоя и оказывает на него давление не ме­ нее 5—6 ати.

При турбинном бурении с увеличением Q пропор­ ционально (при постоянной нагрузке) возрастает число оборотов долота, поэтому скорость подъема (удаления) частиц с забоя должна быть значительно больше ука­ занной.

Как видно, при бурении шарошечными долотами увеличение Q не только улучшает, а наоборот, в боль­ шинстве случаев ухудшает очистку забоя.

Вообще зависимость механической скорости проход­ ки на долото от Q при турбинном бурении значительно сложнее, чем при роторном бурении. Это объясняется еще и тем, что увеличение числа оборотов и осевой нагрузки на долото вызывает одновременно рост ме­ ханической скорости и сокращение долговечности до­ лота. Поэтому проходка на долото в одних случаях

103

может увеличиваться, а в других — уменьшаться в за­ висимости от соотношения между Q, п0б и осевой нагрузкой.

На основании исследований [11] и опыта бурения известно, что для числа оборотов существует крити­ ческое значение, превышение которого приводит к сни­ жению механической скорости и проходки на долото, вызываемому упрочнением горной породы. Следова­ тельно, как для роторного, так и для электро- и тур­ бинного (из-за связи Q с п0е) бурения существует пре­ дельное количество подаваемой на забой жидкости, превышение которого не рационально. Например, при бурении долотом № 12 в глинистых породах фпред = = 45 ~ 55 л/сек, а в крепких скальных породах Qnред=

==55 ч- 60 л/сек.

Всовременных условиях количество прокачиваемой жидкости ограничивается техническими возможностями, поэтому изыскание путей, способствующих улучшению очистки забоя, является первоочередной задачей. Одним из таких путей является улучшение условий подвода жидкости к забою скважины из промывочных устройств долота, а также увеличение энергии струи. В совре­ менных шарошечных долотах направление струи жид­

кости производится: 1) на шарошки; 2) на забой; 3) комбинированное — на шарошки и на забой. Наилуч­ шая очистка забоя от шлама получается при направ­ лении струи промывочной жидкости непосредственно на забой. Такая схема направления струи наиболее ра­ циональна при бурении в скальных породах при любой производительности насосов. В мягких пластичных по­ родах при бурении с большой производительностью насосов также выгоднее осуществлять промывку по указанной схеме. Шарошки очищаются сильными тур­ булентными потоками жидкости, отражающимися от

104

забоя. При малой производительности насосов [16, 30] лучше направлять струю на шарошки, так как при этом последние будут очищаться от налипающей на них вязкой породы.

Как указывалось выше, в большинстве современных долот (малых и средних размеров) поток промывочной жидкости направляется на

долота, особенно в мягких породах, зависит от энергии струи. Область, где струя

сохраняет свои первоначальные параметры (количество движущейся жидкости, скорость движения жидкости, энергию струи), согласно исследованиям [21] [рис. 49] равна шести диаметрам насадки долота. Начиная с шести диаметров насадки количество жидкости, нахо­ дящейся в движении, удваивается, а скорость движения ее и энергия струи уменьшаются. Поэтому очистку забоя

надо связывать со скоростью движения жидкости не­ посредственно под долотом у забоя.

В. С. Федоров [29] указывает, что приближение про­

ходки на долото. Наилучшие результаты работы обес­ печивают долота, у которых промывочные отверстия приближены к забою на расстояние, равное 4,8—5 диа­ метрам этих отверстий. Также установлено, что сила потока существенно зависит от конструктивных особен­ ностей сопел-насадок. Наибольшие скорости истечения жидкости, дальность полета, живую силу струи и наи­ меньшие потери давления в долоте обеспечивают на­ садки с коническим входом при угле конусности 13— 15° (см. рис. 8, б). Несмотря на это, заводы-изготовители в бескорпусных долотах обычно не применяют насадок, а отверстия, выполненные непосредственно в секциях, в большинстве случаев не имеют конусных входных кромок.

Большое распространение в последние годы, особен­ но в зарубежной практике, получили гидромониторные долота. Эти долота отличаются от обычных тем, что площадь сечения промывочных каналов в них значи­ тельно уменьшена для увеличения скорости истечения, а выходные кромки их максимально приближены к за­ бою скважины. Так как наибольший объем породы разрушается периферийными венцами шарошек долота, то промывочные каналы с помощью обводных патруб­ ков, помещаемых между шарошками, подводятся к пе­ риферии долота (рис. 50).

В гидромониторных долотах поток промывочной жидкости, направляемой из насадок с высокой ско­ ростью впереди зубьев шарошек, с большой силой уда­ ряет о забой, смывает частицы выбуренной породы и

106

создает интенсивное завихрение жидкости вокруг ша­ рошек, в результате чего забой быстро очищается.

Венгерские специалисты [7], исходя из опыта при­ менения гидромониторных долот, считают, что очистка забоя в большей степени зависит от скорости исте­ чения промывочной струи, чем от количества промы­ вочной жидкости. Поэтому для увеличения энергии потока при данном коли­ честве прокачиваемой жид­ кости целесообразно уве­ личивать ее скорость. Для этого необходимо умень­ шить диаметр насадок до­

завышенной потерей мощ­

ности на долоте.

При рассмотрении усло­ вий использования гидрав­ лической энергии в насад­ ках долота пользуются двумя теориями [18]:

1) эффект при бурении находится в прямой зави­ симости от удара струи

жидкости (динамического давления) Qv, где ѵ ■скорость истечения жидкости из насадок долота;

2) эффект зависит от величины гидравлической мощ­ ности потока в насадках Qv2.

При помощи этих теорий можно определить верхний оптимальный предел скорости истечения жидкости из

насадок и величину гидравлической мощности потока для создания в насадках необходимого перепада дав­ ления при выбранном типе буровой установки. Отсю­ да же следует, что в условиях, когда увеличение ги­ дравлической мощности в насадках ограничивается, основным фактором является уменьшение Q за счет увеличения скорости истечения жидкости из насадок. Так, если при обычном шарошечном долоте для подъема

породы на высоту шарошек за время , ю сек тре­

буется 3,2 л/сек воды, а раствора из бентонитовой гли­

твора — 3,2 л/сек. Однако при малом количестве промы­ вочной жидкости поток ее, движущийся в затрубном пространстве, будет сильно зашламляться, что может приводить к оседанию частиц выбуренной породы и образованию сальников над долотом. Приемлемой ско­ ростью восходящего потока жидкости в затрубном про­

ких скоростях восходящий поток жидкости в затрубном пространстве не будет сильно зашламляться, будет обеспечиваться удовлетворительная очистка забоя сква­ жины от шлама.

Согласно опыту бурения гидромониторными доло­ тами в США и Венгрии осевая нагрузка при увеличе­ нии скорости истечения жидкости из насадок долота должна быть увеличена, а число оборотов уменьшено. Нагрузка на долото [21,18] увеличивается пропорцио­ нально скорости истечения промывочной струи. Каждой величине скорости промывочной струи соответствует определенная критическая нагрузка на долото, превы­

108

шение которой не ведет к заметному увеличению ско­ рости бурения (рис. 51). Такая же зависимость отме­ чается и для механической скорости бурения.

Благодаря улучшен­ ной очистке забоя меха­ ническая скорость бу­ рения гидромониторным долотом значительно выше, чем обычным до-

лотом (рис. 52). При этом эффективность работу гидро­ мониторного долота увеличивается с увеличением осе­ вой нагрузки.

Важное значение, особенно для гидромониторных долот имеет расстояние насадок долота от забоя сква­ жины. Установлено, что в результате размыва струи

109