книги / Нефтегазовое дело. Полный курс

алмазов. Признаки вы хода из строя долота — сниж ение скорости про­ ходки и увеличение давления в напорной линии насоса.

Стоимость алм азны х долот зависит от качества и количества алм а­ зов, пошедших на изготовление одного долота, и на порядок превы ш ает стоимость долот И Р -действия.

На основе поликристаллических алмазов, которые не имеют анизот­ ропии свойств, созданы вы сокоэф ф ективны е элем енты вооруж ения для режуще-скалывающих и истираю щ е-реж ущ их буровы х долот. Основу элемента вооруж ен и я составл яю т алм азн о -тверд осп л авн ы е диски, получившие название с т р а т а п а к с . Д иаметр дисков 13 мм, толщ ина — до 13 мм, нанесенный слой поликристаллических алмазов имеет тол ­ щину до 0,7 мм. Диски диф ф узионной сваркой крепятся к твердосплав­ ной опоре. В результате получается элем ент вооруж ения, который зап ­ рессовывается в отверстия стального корпуса долота. Долота стр ата ­ пакс предназначены для разбури ван и я м ягких и средней твердости горных пород. Для обеспечения высокой работоспособности необходи­ мо, чтобы угол наклона пластинок к вертикали был не менее 20 граду ­ сов (рис. 5.8). Больш ие разм еры резцов позволяю т обеспечить их вы с­ туп над корпусом долота до 15 мм. При этом создаю тся хорош ие усло­ вия для удаления ш лама из зоны разруш ения.

Рис. 5.8.Схема работы алмазно-твердосплавного эле­ мента вооружения:

3 — поликристаллические алмазы; 2 — твердый сплав; 3 — твердосплавная опора; 4 — корпус долота; 5 — забой скважины

Долота с пластинами стратапакс — это вы сокоэфф ективны й инст­ румент. При роторном бурении и бурении винтовыми забойными дви ­ гателями долота этого типа по сравнению с ш арош ечны ми долотами увеличивают м еханическую скорость проходки в 2 раза, проходку на долото в 3— 7 раз при сопоставимом крутящ ем моменте.

Долота с вооруж ением из алм азов вы пускаю тся типов М, С и СТ. Общей в ш иф ре для всех типов алм азны х долот является первая буква Д. Например, Д И -188,9С, где буква И означает, что долото импрегнированное. В ш иф ре ДР-188С Т буква Р означает, что долото им еет ради ­ альное располож ение канавок.

с целью получения образцов пород — кернов и осущ ествляется с помо­ щью колонковых долот. И звлекаем ы й керн служ ит основным материа­ лом для прямого изучен ия состава» строения, м еханических свойств пород р азреза, а такж е для определения запасов неф ти и газа. Поэтому извлечение высококачественного керна — основная задача при буре­ нии разведочны х скважин.

П ризнакам и качества керна являю тся: больш ой диам етр, сохран­ ность (цельность) и незагрязненность буровым раствором. Желательно иметь керн диаметром 70— 110 мм. Чем больш е диаметр керна, тем выше его устойчивость к внеш ним нагрузкам, тем лучш е он сохраняет свой­ ства горной породы в условиях залегания.

Бурильны е головки (коронки) предназначены для разруш ения по­ роды вокруг обуриваемого керна. П ринцип разруш ен и я пород кольце­ вым забоем не отличается от принципа разруш ен ия сплош ным забоем. Основными особенностями колонкового бурения является формирова­ ние вооруж ением долота двух цилиндрических поверхностей: поверх­ ности стенки скваж ины и поверхности керна.

По типу бурильны е головки делятся на лопастные, шарошечные и алм азны е, которы е использую тся для колонкового бурения в тех же породах, что и долота д л я сплошного разруш ен и я забоя. И х конструк­ ции и м атериалы аналогичны. А лм азны е бурильны е головки по конст­ рукции и вооруж енности алм азам и на единицу площ ади такж е анало­ гичны долотам для сплошного разруш ен и я забоя.

Шарош ечны е бурильны е головки типа М СЗ имеют восемь шарошек.

Четы ре ш арош ки обрабатываю т периферийную часть забоя и четыре — прилегаю щ ую к керну. Б урильны е головки типов CT, Т К З и К — шес­

тиш арош ечны е и имеют два вида ш арош ек: три для разруш ения пери­ ф ерийной части забоя и три для разруш ен ия части забоя, прилегаю­ щ ей к керну (рис. 5.9).

Все снаряды для колонкового бурения состоят из следую щ их основ­ ных частей: бурильной головки; внешнего корпуса; внутренней колонко­ вой трубы для сохранения и выноса керна; кернодерж ателя. Колонковая труба бывает съем ная и несъемная. Чащ е всего использую тся снаряды со съемной колонковой т р у б о й , которую назы ваю т грунтоноской.

Турбодолото включает бурильную головку преимущественно дробящескалывающего действия. Основное преимущество турбодолота — высокая скорость проходки. К его недостаткам относятся низкий коэффициент керноотбора, не превышающий 0,28, и высокая динамичность работы.

Рис. 5.9. Шестишарошечная бурильная головка

Керн образуется бурильной головкой, а д ля отры ва и удерж ан и я керна служит кернодерж атель. После окончания бурения долото при ­ поднимают, кернодерж агель сж им ается специальны м конусом и за к ­ линивает керн. При дальнейш ем движ ении долота вверх керн отры ва­ ется от забоя. При работе снарядам и с грунтоноской керн извлекается на канате специальным ловителем . Снарядом для колонкового бурения бурят без отрыва от забоя, при этом бурильную головку подают равно­ мерно. Отрыв керна от забоя нужно проводить при непрерывной про­ мывке и медленном подъем е инструмента.

Вынос керна всегда меньш е 100 % и он резко снижается, если твер ­ дость пород по ш тампу ниж е 40— 70 МПа. Керн разруш ается под дей ­ ствием радиального биения и сил трения. Повысить сопротивление раз­ рушающим нагрузкам можно за счет увеличения диаметра керна, защ и ­ тив его от прямого воздействия струй промывочной жидкости. Величина коэффициента керноотбора (повыш ение выноса керна) во многом зави ­ сит от квалификаций бурильщ ика.

5.3.5.Д олота для с п е ц и а л ь н ы х ц ел ей

Для выполнения вспомогательных работ в скваж ине серий ­ но изготовляются пикообразные и ф резерн ы е долота, калибраторы и расширители.

П икообразны е д о л о та изготовляю т на базе двухлопастного долота. Оно состоит из корпуса и лопасти, выполненной в виде пики. В калиб­ рую щ их боковых гранях лопасти долота типа П Р установлены цилинд­ рические зубья. Долото предназначено д л я проработки ствола скважи­ ны и подготовки забоя к проведению работ по удалению металлических осколков из скважины . Долото типа ПЦ предназначено для разбурива­ ния цементного кам ня в обсадной колонне.

К а л и б р а то р ы устанавливается над долотом и доводят ствол сква­ ж ины до разм ера, равного диам етру долота, а такж е д л я уменьшения радиального биения долота. К алибраторы вы полняю тся лопастными с продольными или спиральны м и гранями и ш арош ечны ми. Шарошки устанавливаю т на осях в п азах корпуса. По числу лопастей калибрато­ ры бываю т трех -, четы рех - и ш естилопастными. К алибраторы вклю­ чаю тся в состав компоновки бурильной колонны м еж ду долотом и бу­ рильными трубами.

Ш арош ечны е калибраторы имею т преимущ ество перед лопастны­ ми в запасе вооруж ения и лучш ем охлаж дении в результате циклично­ сти работы. Ш арош ки устанавливаю т на осях в пазах корпуса. Хоро­ ш ая проходимость по стволу позволяет использовать калибраторы в качестве центраторов. П рименение калибраторов позволяет исключить уменьш ение диам етра скваж ины при износе долота и уменьш ить ра­ диальное биение долота. Это полож ительно сказы вается на долговеч­ ности опоры и вооруж ения долота. П рименение калибраторов способ­ ствует повыш ению стойкости долот при бурении на 15— 20%.

Р асш и р и тел и устанавливаю тся в нижней части бурильной колонны и применяю тся для значительного расш ирения диаметра скважины, на­ пример, после отбора керна. Наиболее распространенным является трех­ ш арош ечный расш иритель, в котором ш арош ки располож ены по окруж­ ности под углом 120 градусов (рис. 5.10). Он состоит из корпуса 1, к кото­ рому приварена м уф та 2 с трем я лапам и 3. На цапф ах лап установлены двухконусны е ш арош ки. Вооруж ение ш арош ек м ож ет быть фрезеро­ ванным и твердосплавным . При работе расш ирителя скваж ина очища­ ется от ш лама восходящ им потоком промывочной ж идкости без актив­ ного воздействия на забой.

Ф резерны е д о л о т а п ред н азн ач ен ы д л я р азб у р и ван и я цементных м остов и м еталл а в скваж и н е, а та к ж е д л я б урен и я скваж и н в мало­ аб рази вн ы х породах. Р абочая ч асть этих долот им еет сферическую ф орм у.

Рис. 5.10. Трехшарошечный и одношарошечный расширители

5.4.Н А П РЯ Ж ЕН Н О Е СО СТО ЯН ИЕ И У СТО ЙЧИВОСТЬ ГОРНЫ Х П О РО Д В П РИ С К В А Ж И Н Н О Й ЗО Н Е

Важной характеристикой горных пород, определяю щ ей кон­ струкцию скваж ины и технологию бурения, является их устойчивость против обрушения. Различаю т устойчивы е, временно устойчивые и не­ устойчивые породы.

Состояние стенок скваж ины в пределах некоторого интервала бу­ рения можно оценить коэф ф ициентом кавернообразования, которы й представляет собой отнош ение ф актического объема рассм атриваем о­ го участка скваж ины к номинальному (проектному) объему этого учас­ тка скважины. Породы считаю тся устойчивы ми при значениях этого коэффициента от 1 до 3. В остальны х случаях породы считаю тся неус­ тойчивыми.

Основными причинами, определяю щ им и наруш ение устойчивости стенок скважины, являю тся горное давление и механические свойства пород. Ослабляет устойчивость стенок крутое падение пород, трещ и ­ новатость, наличие обломочных пород, водонасыщ енных песков и глин.

Естественное напряж енное состояние горных пород при вскры тии их скважиной изм еняется. Когда горная порода в объеме ствола сква­ жины замещ ается буровым раствором плотностью рр, давление в сква­ жине на глубине г определяется.

где предел текучести (длительная прочность) пород определяется из следующего вы раж ения:

В последнем вы раж ении р ш — твердость горной породы по ш тампу. По степени интенсивности процесс обруш ения стенок скваж ин под­ разделяется на осыпи с небольш ими объемами обруш ения и обвалы,

когда процесс затрагивает больш ие объемы пород.

5.5.РАЗВИТИЕ ТРЕЩ ИН С ПО ЗИ Ц И Й МЕХАНИКИ ХРУПКОГО РА ЗРУ Ш ЕН И Я

Все горные породы разбиты системами трещ ин различного генезиса, различной протяж енности и шириной раскрытия. П оказательтрещиноватости характеризуется количеством трещ ин на единице дли ­ ны в заданном направлении. С истемы трещ ин в горных породах появ­ ляются в результате действия тектонических и геодинамических на­ пряжений (рис. 5.12).

н л

^ г

л

Рис. 5.12. Схема образования систем трещин в зависимости от напряжен­ ного состояния горного массива:

а — одноосное сжатие; б — неравномерное трехосное сжатие; в— сдвиг

При проектировании и осущ ествлении буровых работ важ но пони­ мать механизм образования и роста трещ ин в горных породах. Это зн а ­ ние позволяет управлять процессами разруш ения горных пород и оп­ тимизировать эти процессы.

Использование в расчетах на прочность классических критериев разрушения, основанных на испы таниях горных пород на сж атие, рас­ тяжение и сдвиг, не всегда отраж ает реальны е процессы разруш ения. Это объясняется другими м еханизм ам и разруш ен и я, связанны м и с хрупким распространением трещ ин в породах.

Х рупкое разруш ение скальны х пород начинается при сравнитель­ но м алы х п ластически х деф орм аци ях - Это р азр уш ен и е начинается практически сразу после заверш ен ия упругой деф орм ации и характе­ ри зуется высокой скоростью протекания процесса. Основными факто­ рами, определяю щ ими х арактер процесса разруш ен и я, являю тся сле­ дующ ие:

• свойства и состояние пород (структура, наличие концентраторов напряж ений в виде м икротрещ ин, тем пература, влажность);

•свойства объекта разру ш ен и я (разм еры , ф орма, качество поверх­ ности);

• динамика силового воздействия (скорость нагруж ения).

В линейной механике разруш ен и я хрупкое разруш ение рассматри­ ваю т с позиций механизм а накопления повреж дений и распростране­ ния трещ ин в резул ьтате преобразования накопленной упругой энер­ гии деформируемого тела. Процесс р азруш ен и я состоит из двух после­ д о в а те л ьн о п р о тек аю щ и х стад и й : за р о ж д е н и я тр е щ и н ы и роста трещ ины . Условие полного разруш ен и я горной породы предполагает необходимость распространения трещ ины , зародивш ейся в одном ее элементе, на соседний элемент. М икротрещ ина долж на преодолеть гра­ ницу структурного зерна, поэтому для начала разруш ен ия необходимо намного больш ее напряж ение, чем для процесса распространения раз­ руш ения. И наче говоря, сущ ествует некоторое барьерное напряжение, которое следует преодолеть, чтобы распространение трещ ины началось.

Н ачало разруш ен и я обусловлено высоки­ ми локальны м и растягиваю щ ими или сдвиго­ выми напряж ен иям и и деф орм ац иям и в вер­ ш инах трещ ин, которы е являю тся местами концентрации напряж ений . В хрупком мате­ риале невозможно изм ерить точные размеры трещ ины и радиус криви зны в ее вершине (рис. 5.13).

И звестно, что реальн ая прочность крис­ таллических м атериалов меньш е их теорети­ ческой прочности примерно на два порядка. Внеш не однородны й образец м ож ет содер­ ж ать внутренние деф екты , способствующие

концентрации напряж ений, достигаю щ их в локальны х областях очень большой величины, равной теоретической прочности. Исходя из энер­ гетических соображений, Г риф ф итс вы вел следую щ ее условие хруп­ кого разруш ения: разруш ение п р о и зо й д ет т о г д а , когда при бескопен-

ко малом удлинении т р е щ и н ы б у д е т в ы д е л я т ь с я больш е упругой энергии, чем э т о т р е б у е т с я для образования новы х п о вер х н о стей трещины. Таким образом, ф изи ческая характеристика м атериала — поверхностная энергия — долж на быть м еньш е вы свобож даю щ ейся упругой энергии, и только в этом случае разм еры трещ ины будут уве­ личиваться, начиная с некоторой критической длины.

За меру сопротивления м атериала разруш ению принимаю т коэф ­ фициент у(Д ж /м 2) — это удельн ая поверхностная энергия или удель­ ная работа, которую необходимо соверш ить (затратить энергию) для создания в данном м атериале единицы новой поверхности. Н апример, для кристалла поваренной соли у = 1,35 Д ж /м 2. Рост трещ ины сопро­ вождается созданием д вух п оверхн остей (двух берегов) трещ и н ы , вследствие чего на образование единицы площ ади трещ ины требуется энергии 2у.

Чем больше удельная поверхностная энергия, тем выше устойчивость материала к росту трещ ин. М еханизм разруш ения тела с трещ иной про­ исходит следующим образом: с увеличением нагрузки начальная длина трещины не изменяется, пока нагрузка не достигнет некоторого предель­ ного значения сг. После этого начинается самопроизвольный процесс развития трещ ины без увеличения внеш ней нагрузки. Это означает, что для завершения процесса разруш ен и я м атериала достаточно той уп ­ ругой энергии, которая была запасена в окрестности трещ ины . П ри этом интенсивность вы свобож дения энергии р астет вместе с увеличением длины трещины.

Быстрому росту трещ ины в горной породе, как в любом другом хруп ­ ком материале, предш ествует ее медленное докритическое развитие. На докритической стадии процесса разруш ен ия трещ ина распростра­ няется с небольшой скоростью — первы е м иллим етры в час. После до­ стижения критического разм ера скорость самопроизвольного распрос­ транения трещ ины в хрупком м атериале увеличивается на несколько порядков и может составить 0,7 от скорости звука в данном м атериале. Встекле трещина распространяется со скоростью 1,5 км /с, в м еталле — до 3,0 км/с, в алм азе — почти 8 км /с.

Теория Гриффитса объясняет катастроф ический характер хрупкого разрушения, огромные ускорения при движ ении трещ ин, невозм ож ­ ность остановить процесс роста трещ ины , если он у ж е прош ел крити ­ ческую точку.

В реальных м атер и ал ах у верш ины (ф ронта) трещ ины возн и кает пластическая деф орм ация. Она всегда предш ествует хрупком у р а з ­ рушению. У дельная работа пластических деф орм аци й уш у верш ины

трещ ины намного больш е удельной поверхностной энергии хрупкого

разруш ен и я у

При разруш ен и и однородных м атериалов процесс образования и развития трещ ины зависит от типа деф орм ации (рис. 5.14).

Рис* 5*14* Механизмы образования трещины в зависимости от способа де­ формирования:

а — I тип (отрыв); б — II тип (поперечный сдвиг); в — III тип (продоль­ ный сдвиг)

Если деф орм аци я определяется силами, ориентированными по на­ правлению оси г, то стенки (поверхности) трещ ины симметрично рас­ ходятся в противополож ны х направлениях ( I тип). Если поверхности трещ ины скользят друг по другу в направлении оси у (поперек фронта трещ ины), то возникаю т деф орм ации поперечного сдвига (II тип). В слу­ чае, когда стенки трещ ины движ утся друг относительно друга в направ­ лении оси х (вдоль ф ронта трещ ины ), ф орм ирую тся деформ ации про­ дольного сдвига (III тип).

А нализ ф орм ул д л я компонент напряж енного состояния материа­ ла около верш ины трещ ин всех трех типов показы вает, что величины н ап ряж ен и я зави сят от геометрии и разм еров тела, длины трещины, схемы прилож ения и величины внеш них нагрузок. Все эти факторы могут бы ть учтены к о эф ф и ц и ен то м и н т е н с и в н о с т и напряж ений К. В еличина нап ряж ен и й у верш ины трещ ины прям о пропорциональна значению этого коэф ф ициента. Р азм ерность этого коэф ф ициента — Н /м и/2. В зависим ости от типа деф орм аци и трещ ины индекс у коэф­ ф ициента К м ож ет быть I, II или III (см. рис. 5.14). В м еханике хрупко­ го разруш ен и я при ан али зе состояния в верш ине трещ ины вместо ком­ понент тензора напряж ен и й оперирую т с коэф ф ициентом интенсив­ ности н ап ряж ен и й К . Этот коэф ф и ц и ен т оп р ед ел яется из решения зад ач о напряж енно -деф орм ирован н ом состоянии тел с трещинами разн ы х типов.