Эффективность бурения в значительной степени определяется правильным выбором породоразрушающего инструмента и согласованием его характеристик с режимными параметрами работы забойного двигателя.
Влияние режимных параметров бурения на достижение механической скорости для рекомендуемых рабочих сочетаний «долото–ВЗД» представляет практический интерес. Преимущество лопастных долот в современных технологических условиях обусловлено совокупностью эксплуатационных и технико-экономических факторов. При проходке мягких и пород средней твёрдости их применение обеспечивает более высокую механическую скорость по сравнению с шарошечными долотами, прирост данного показателя может составлять 30–60 %. Одновременно наблюдается снижение уровня вибрационных нагрузок, отрицательно сказывающихся на долговечности узлов компоновки бурильной колонны [1].
Существенное значение имеет и повышенная износостойкость вооружения лопастных долот. В их конструкции отсутствуют опорные и подшипниковые узлы, что положительно отражается на продолжительности работы инструмента. Если при бурении пород средней твёрдости шарошечными долотами длина проходки обычно составляет 70–140 м, то лопастные долота способны сохранять механическую скорость практически без снижения на интервале 300–500 м.
Увеличение ресурса инструмента непосредственно связано с уменьшением числа рейсов, необходимых для его замены. С учётом того, что продолжительность одного цикла подъёма и спуска бурильного инструмента с заменой долота достигает 18–34 часов, сокращение количества таких операций позволяет заметно уменьшить временные и финансовые затраты на строительство скважины. В результате экономический эффект может выражаться в снижении общей стоимости работ на несколько миллионов рублей.
Дополнительным преимуществом лопастных долот являются более высокие показатели управляемости и устойчивости в процессе бурения, что способствует повышению общей эффективности проводки скважины.
Повышение механической скорости бурения является одной из наиболее значимых задач совершенствования технологических показателей строительства скважин, поскольку именно этот параметр в наибольшей степени определяет экономическую эффективность буровых работ. По оценкам специалистов Башкирской буровой школы, увеличение механической скорости бурения в два раза сопровождается снижением стоимости одного метра проходки на 50 %, тогда как рост стойкости долота обеспечивает уменьшение данного показателя лишь на 11 % [2].
Воздействие параметров режима бурения на процесс разрушения горных пород носит комплексный характер. Каждый из основных параметров, включая осевую нагрузку, частоту вращения и расход промывочной жидкости, оказывает самостоятельное влияние на интенсивность работы породоразрушающего инструмента. При этом изменение одного из указанных параметров не может рассматриваться изолированно, поскольку его влияние на механическую скорость определяется фиксированными значениями остальных режимных характеристик.
Следовательно, величина механической скорости бурения обусловлена не только эффективностью разрушения породы на забое скважины, хотя данный фактор и является одним из определяющих, но и качеством очистки забоя от шлама, а также степенью эффективности его транспортирования на поверхность. В связи с этим достижение высоких показателей проходки требует комплексного согласования режимных параметров бурения с условиями очистки скважины и особенностями работы гидравлической системы.
Влияние осевой нагрузки на процесс бурения определяется тем, что при механическом разрушении горных пород основная часть затрачиваемой энергии направляется на внедрение породоразрушающих элементов инструмента в породу забоя. Давление, создаваемое долотом на забое скважины, зависит не только от величины осевого усилия F, но и от контактной площади Sк, характеризующей условия взаимодействия инструмента с породой. Для шарошечных долот под контактной площадью понимается суммарная площадь всех зубьев на шарошках, находящихся в данный момент во взаимодействии с породой забоя, тогда как для лопастных долот она определяется суммой площадей торцевых поверхностей лопастей. Значения контактной площади для различных типов долот, включая шарошечные, лопастные и алмазные, установлены и представлены в справочных и табличных материалах [3].
Частота вращения ротора относится к числу существенных параметров, определяющих эффективность бурения. С увеличением частоты вращения, как правило, наблюдается рост средней механической скорости, что обусловлено повышением скорости взаимодействия породоразрушающих элементов с горной породой и увеличением энергии их воздействия на забой. Вместе с тем чрезмерное повышение данного показателя сопровождается сокращением времени контакта инструмента с породой, вследствие чего эффективность её разрушения снижается. По этой причине после достижения определённого уровня частоты вращения сначала уменьшается темп прироста механической скорости, а затем может наблюдаться и её снижение.
Проведённый анализ показывает, что при бурении боковых наклонных стволов применение частоты вращения свыше 40 об/мин является нерациональным, тогда как наиболее целесообразный диапазон находится в пределах 20–40 об/мин. Повышение частоты вращения оправдано лишь в тех пределах, в которых оно действительно сопровождается увеличением механической скорости бурения. Для бурения горизонтальных стволов оптимальными следует считать значения порядка 30–40 об/мин.
Установлено также, что рост механической скорости наиболее заметно проявляется в отдельных диапазонах осевой нагрузки, в частности при её изменении от 2 до 3 т и от 4 до 5 т. Вместе с тем имеющиеся данные не позволяют однозначно определить универсальное значение нагрузки на долото, при котором гарантированно достигается максимальная механическая скорость. Однако результаты анализа свидетельствуют о том, что при обоснованном подборе нагрузки существует реальная возможность дальнейшего повышения данного показателя.
Оценка эффективности применяемых компоновок низа бурильной колонны при бурении боковых стволов указывает на наличие резерва для улучшения технико-экономических показателей строительства скважин. Такой резерв связан с обоснованным подбором сочетаний «долото–ВЗД» с учётом диаметра обсадной колонны и соблюдением рациональных режимов бурения. При этом следует учитывать взаимную обусловленность параметров режима, поскольку наибольший эффект достигается только при их согласованном и оптимальном сочетании.
Литература:
- Макаров, И. Г. Механическая скорость бурения скважин / И. Г. Макаров, Н. Б. Ситников. — Текст: непосредственный // Известия Уральского государственного горного университета. — 2005. — С. 68–76.
- Арсентьев, Ю. А. Влияние угла установки резца PDC лопастного долота на механическую скорость бурения скважин в перемежающихся по твердости горных породах / Ю. А. Арсентьев, Н. В. Соловьев, А. П. Назаров, А. М. Лимитовский. — Текст: непосредственный // Горный журнал. — 2018. — № 11. — С. 47–50.
- Симонянц, С. Л. Стимулирование процесса бурения верхним силовым приводом с использованием винтового забойного двигателя / С. Л. Симонянц, М. Аль Тии. — Текст: непосредственный // Записки Горного института. — 2019. — Т. 238. — С. 438–442.
