книги из ГПНТБ / Воздвиженский Б.И. Физико-механические свойства горных пород и влияние их на эффективность бурения

Необходимость уменьшения числа зубьев и, следовательно, умень­ шения площади опорной поверхности шарошечных долот можно показать также, исходя из времени контакта зуба долота с забоем, необходимого для эффективного разрушения породы. Так, мини­ мально необходимое время контакта зуба долота с забоем для начала хрупкого разрушения породы [237]

характеризующий упругие свойства породы; s — площадь контакт­ ной поверхности зуба; vo — скорость встречи зуба с породой; су — сила, которую необходимо приложить для сжатия упругого элемента на единицу длины.

Таким образом, уменьшение числа зубьев увеличивает фактиче­ ское время контакта зубьев долота с породой и увеличивает ско­ рость vQ встречи зуба с забоем. За счет же увеличения vo умень­

что с коэффициентом пластичности горных пород этот показатель связан некоторой обратной зависимостью, т. е. с ростом пластич­ ности время хк также возрастает. Отсюда видно, что экспериментальное

определение пластичности и твердости горных пород приобре­ тает важное значение для конструирования вооружения шарошеч­ ных долот.

Во всяком случае, при проектировании или выборе долот для бурения скважин в конкретных геологических условиях необходимо руководствоваться основным принципом — поражение забоя зу­ бьями при элементарных актах вдавливания должно происходить за минимальное число оборотов долота N, т. е. шаг зубьев должен быть равным

t, = NyDa.p (VII.10)

Такой способ выбора шага зубьев шарошечных долот может способствовать увеличению У м , поскольку полное поражение забоя может быть обеспечено за минимальное число оборотов долота. При этом должна увеличиться также величина проходки за рейс, так как величина проходки за один оборот достигает оптимального зна­ чения.

Процессы разрушения горных пород при вдавливании инденторов различной формы изучали в ИГиРГИ [230], а затем в ТатНИПИнефть [97, 98, 99], в ИГД им. А. А. Скочинского [25, 33], в МГРИ им. С. Орджоникидзе. Результаты этих исследований в общем не противоречивы. Удельное контактное давление qk в момент разруше­ ния породы имеет наибольшее значение при вдавливании цилин­ дрического индентора с плоским основанием. При вдавливании прямоугольного индентора qk примерно на 10% меньше, а при вдавливании сферы контактное давление составляет всего 34—45% от твердости пород при вдавливании цилиндрического штампа.

Однако при вдавливании сферы и прямоугольного индентора удельная контактная работа разрушения породы больше, чем при вдавливании цилиндрического штампа (например, по данным ТатНИПИнефть, Ак соответственно равна-4,15; 6,62 и 3,06 кгс-м/см3 .

Таким образом, изучение процесса разрушения горных пород • различных свойств при вдавливании инденторов различных форм и размеров позволяет рекомендовать наиболее эффективные сочета­ ния форм, размеров и шага зубьев шарошечных долот, предназна­ ченных для бурения скважин в конкретных геологических условиях.

Нет необходимости описывать результаты всех этих исследова­ ний. Здесь следует лишь отметить вывод Л. И. Барона и П. А. Мухамедиева [33] о постоянстве сооотношений твердости и удельной энергоемкости разрушения при вдавливании инденторов различной формы. Этот вывод может служить основанием к тому, что метод вдавливания индентора одной какой-либо формы может служить для' оценки сопротивления горных пород разрушению при вооруже­ нии долот зубьями другой формы.

Наиболее эффективная форма вооружения породоразрушающего инструмента может быть выявлена путем испытания пород раз­

формы может служить отношение линейных размеров образующихся

и клин. Причем с ростом пластичности эффективность применения штампа возрастает. Результаты этих исследований позже были еще раз подтверждены [97] и свидетельствуют о перспективности ис­ пользования цилиндрического или конического зуба с плоским осно­ ванием в шарошечном долоте, в результате чего энергетические за­ траты на единицу объема выбуренной породы могут быть значи­ тельно снижены.

Процесс разрушения пластичных пород, не дающих хрупкого разрушения, при вдавливании весьма энергоемкий. Он может дости­ гать 20—25 кгс-м/см3 при рш = 6—7 кгс/мм2 (глина, мергель) про­ тив 1,5—2,0 кгс-м/см3 при разрушении вдавливанием пластичнохрупких пород твердостью 50—100 кгс/мм2 . Это обусловливает при­ менение для разрушения пластичных пород инструментов режущего типа или шарошечных долот с большим проскальзыванием зубьев.

В целом же методика выбора и конструирования породоразрушающего инструмента с учетом пластичности пород находится на ста­ дии качественного описания явлений, происходящих при разруше­ нии горных пород, и качественных рекомендаций.

За последнее десятилетие проведен большой объем эксперимен­ тальных исследований по влиянию забойных условий на механиче­ ские свойства (чз том числе на пластичность) горных пород. По­ скольку качественные зависимости показателей работы долот от пластичности пород известны, результаты исследований позволили дать рекомендации по проектированию шарошечных долот спе­ циально для бурения глубоких скважин [50].

Как при статическом, так и при динамическом вдавливании штампа в пластичные породы [169, 239] в образце образуются ра­ диальные трещины, причем их направление зависит от направления приложенной нагрузки. Следовательно, расположение зубьев на шарошках при бурении играет важную роль для повышения эффек­ тивности разрушения пород.

Перспективными являются исследования, проводимые во ВНИИБТ. Для учета влияния проскальзывания зубьев долота на процесс разрушения породы разработана специальная приставка к прибору УМГП-3, позволяющая изучать механические свойства при сложном вдавливании в горизонтальном и вертикальном напра­ влениях. Отношение деформаций в горизонтальном .%г и вертикаль­ ном | в направлениях (£г /£в = к%) служит относительной характеристи­ кой сложного вдавливания. При заданном значении к% производится

их использование для проектирования долот Пока затруднено, но они достаточно убедительно показывают, что могут быть использо­ ваны для разработки рациональной схемы вооружения долот при бурении в породах различных механических свойств и, в первую очередь, в породах различной пластичности.

Между тем, разнообразие пород и применяемых породоразрушагощих инструментов при бурении колонковых скважин значительно больше, чем при бурении нефтяных скважин, и поэтому проектиро­ вание коронок должно Обязательно вестись с учетом механических свойств горных пород.

Механические свойства пород, „определенные методами вдавли­ вания инденторов, и абразивность наиболее полно можно исполь­ зовать при проектировании породоразрушающих инструментов для ударно-вращательного бурения с использованием пневмо- и гидро­ ударников. В частности, для различных по механическим свойствам пород нетрудно установить величину притупления резцов и их коли­ чество в воронке в зависимости от параметров удара (скорости при­ ложения и энергии). Это позволило бы создать коронки различной конструкции для бурения применительно к типам месторождений.

Абразивность пород относительно легко использовать для вы­ бора матрицы алмазных коронок, а твердость, сопротивление скалы-

ванию и жесткость пород — для определения размеров алмазных зерен, насыщенности коронок алмазами и формы торца матрицы. Эти я{е показатели можно использовать для определения размеров вставок в твердосплавных коронках.

При проектировании и совершенствовании коронок предвари­ тельные лабораторные исследования обычно проводятся, но полу­ чаемые результаты в одних породах отличаются от результатов при испытании в других породах. Поэтому любые закономерности не­ обходимо устанавливать в зависимости от показателей физико-ме­ ханических свойств пород, и тогда будут установлены более четкие оптимальные области применения коронок той или иной конструкции.

Г Л А В А V I I I

ОЦЕНКА СОПРОТИВЛЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД РАЗРУШЕНИЮ

СРОСТОМ ГЛУБИНЫ ИХ ЗАЛЕГАНИЯ

§1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Известно, что значительная часть прогнозных запасов нефти и газа залегает на глубине от 4 до 10 тыс. м. В связи с этим в СССР

глубина разведочных скважин на нефть и газ постоянно увеличи­ вается. Все больше скважин доводят до глубины более 6 тыс. м. Проектируется бурение скважин глубиной до 12 —15 км для вскры­ тия верхней мантии Земли. С увеличением глубин скважин сни­ жается проходка на породоразрушающий инструмент и быстро увеличиваются затраты времени на спуско-подъемные операции.

Одним пз путей повышения величины проходки на долото при бурении глубоких скважин является изучение возможного измене­ ния сопротивления пород разрушению при увеличении глубины их залегания. К трудностям изучения этого изменения относятся разно­ образие пород и те особые условия, в которых они находятся. В глу­

объемный вес (у = 2,5—2,7 гс/см3 ). В ряде случаев тектонические

.силы могут значительно увеличить горное давление, однако в целом рв г = Ly. Боковая составляющая вертикального давления зависит от коэффициента бокового распора, причем величина этого коэффи­

легания. Четкой закономерности изменения геотермического гра­ диента при увеличении глубины не наблюдается [96,143, 153, 136, 221]. Иногда уже на глубине 5—6 тыс. м t = 200 — 300° С, а в рай­ онах первоочередных точек заложения сверхглубоких скважин на забое ожидается температура от 200 до 600° С.

В настоящее время существует два основных направления при изучении изменения сопротивления горных пород разрушению с ро­ стом глубины залегания.

1.По данным бурения в лабораторных и производственных усло­

виях.

2.На основании результатов изучения физико-механических свойств горных пород в условиях, моделирующих забой скважины.

Вусловиях высоких давлений п температуры для различных целей определяют три основные группы показателей физико-меха­ нических свойств горных пород:

а) деформационные и прочностные свойства при сжатии цилин­

Пуассона, модуль Юнга и др.) для решения геофизических задач. Эти данные могут быть использованы также для приближенной оценки сопротивления пород разрушению при бурении скважин.

§2. БУРИМОСТЬ' ПОРОД

ВУСЛОВИЯХ, МОДЕЛИРУЮЩИХ ЗАБОЙНЫЕ

Процесс разрушения горных пород при бурении значительно сложнее, чем при определении механических свойств, и в том числе при единичном акте вдавливания индентора любой формы в породу. Целый ряд факторов, действующих в условиях бурения (состояние поверхности, забоя, динамичность процесса нагружения и др.), при лабораторных исследованиях не учитывается, и это может оказать влияние при технологических расчетах. Полученные зависимости механических свойств пород от основных факторов, действующих при бурении глубоких скважин, можно проверить при стендовом бурении в условиях, моделирующих забойные.

Промысловые наблюдения показывают [3, 116, 191, 226], что с увеличением глубины механическая скорость проходки v„ умень­ шается (рис. 40). Как правило, уменьшение vM объясняют упрочне­ нием пород, связанным с давлением столба промывочной жидкости.

Анализ фактических данных по бурению скважин турбинным способом на разведочных площадях Днепровско-Донецкой впадины показал, что механическая скорость проходки и проходка на долото зависят от глубины бурения, оцениваемой величиной перепада Ар между горным и гидростатическим давлением.

рошо аппроксимируется прямой ^ = ( 0 , 7 - 0 , 8 ) - ^ - « м

и Я х = ( 0 , 7 - 0 , 9 ) - ^ Я .

( V I I I . 1)

2. При Ар = 180 + 3 5 0 кгс/смг показатели работы долот изме­ няются от гиперболической за­ висимости

промывочной жидкости. Так как при бурении скважин с очисткой забоя воздухом или газом действие промывочной жидкости отсут­

=const.

Стендовое бурение в условиях моделирования давлений, действу­

ющих на забое, проводилось как в СССР, так и за рубежом [ 1 , 46, 134, 138 и др.].

При проведении исследований во ВНИИБТ по образцу мрамора [236] наносили удары отдельными зубьями шарошки (давление 30 кгс/см2 создавали с помощью воды), в результате чего оказалось, что объем разрушенной породы при этом давлении уменьшился на 31,8%. При бурении трехшарошечным долотом при давлении 33,4 и 62,8 кгс/см2 механическая скорость бурения составила 84 и 80%