Материал: Григорян, Н. А. Бурение наклонных скважин уменьшенных и малых диаметров

Из табл. 16 и рис. 44 следует, что с уменьшением диаметра трехшарошечного долота и коэффициента пластичности разбуривае­ мых пород, увеличением твердости последних и скорости вра­ щения долота удельный момент на долоте на отклоняющую силу снижается. Так, если при фрезеровании стенки ствола в извест­ няке боковой поверхностью трехшарошечного долота 1В-132С при скоростях вращения 50—280 об/мин удельный момент изменяется в пределах 44,4 ч-28,7 кгс- м/тс, то при фрезеровании в образце мра­ мора он изменяется в пределах 42,2ч-23,8 кгс - м/тс.

При фрезеровании стенки ствола в известняке со скоростью вращения 190 об/мин переход от долота 4В-140С к долотам

1В-132С и 1У-97С, т. е. уменьшение их диаметра в 1,06 и 1,44 раза приводит к снижению потребного удельного момента на долоте соответственно в 1,07 и 1,18 раза. Это является результатом умень­ шения высоты и шага зубьев, а также коэффициента смещения осей шарошек относительно оси долота, приводящего к снижению эффекта скалывания породы за счет скольжения шарошек.

Зависимость вращающего момента на долоте от числа оборо­ тов при фрезеровании стенки ствола в известняке и мраморе трех­ шарошечными долотами различного диаметра представлены на рис. 45, а.

Уменьшение вращающего момента на долоте с ростом числа оборотов является следствием сокращения времени контакта зубьев шарошек с породой, снижения коэффициента трения между элементами опоры долота и между долотом и породой. Причем более интенсивное снижение момента на долоте происходит в диа­ пазоне увеличения скорости вращения от 35 до 190 об/мин. В слу­ чае дальнейшего увеличения скорости вращения долота до

136

400 об/мин темп уменьшения момента на долоте несколько па­ дает.

Снижение момента на долоте от увеличения скорости вращения происходит тем интенсивнее, чем больше диаметр долота (рис. 45, б). Так, например, при фрезеровании мрамора трехша­ рошечным долотом 1В-132С и 1У-97С увеличение скорости враще­ ния долота в диапазоне 50—400 об/мин приводит к снижению мо­ мента на долоте на 57,4 и 43,7%.

В связи с установлением основных закономерностей изменения вращающего н удельного момента на долоте от основных парамет­ ров, характеризующих процесс фрезерования стенки ствола, есте­ ственно возникает вопрос, каковы соотношения удельных моментов на долоте в процессе фрезерования

никающего на долоте от осевой нагрузки, и отклоняющей силы при разбуривании мрамора трехшарошечным долотом 1В-132С со скоростью вращения 280 об/мин. Из рис. 46 следует, что удельный момент на осевую нагрузку меньше удельного момента на откло­ няющую силу. Значения этих удельных моментов для рассматри­ ваемого примера составляют соответственно 12,0 и 24,1 кгс ■ м/тс. Следовательно, потребный момент для вращения долота при откло­ няющей силе, равной осевой нагрузке, в 2 раза больше.

В результате обработки данных экспериментов по разбурива­ нию известняка трехшарошечным долотом 1В-132С при диапазоне изменения скоростей вращения долота 35ч-400 об/мин было уста­

можно прийти к выводу, что удельный момент на отклоняющую силу М" в 2—4 раза превышает удельный момент на осевую

нагрузку Л4' . Такое явление может быть объяснено ухудшением

условий работы трехшарошечного долота, в особенности его опоры, под действием отклоняющей силы, а также спецификой процесса разрушения стенки ствола тыльной частью периферийных зубьев шарошек долота.

137

При фрезеровании стенки ствола под действием отклоняющей силы потребный момент на долоте возрастает (по сравнению с разбуриванием забоя при одинаковой осевой нагрузке) вследст­ вие того, что: а) увеличивается трение между шарошками и кор­ пусом долота со стенкой скважины; б) нарушается соосность ша­ рошек относительно цапфы, что приводит к нарушению нормаль­ ного контакта между элементами опоры и беговыми дорожками цапфы и шарошек; в) увеличивается энергоемкость разрушения стенки ствола вследствие значительного превышения контактной площади тыльной части периферийных зубьев по сравнению с их торцевой поверхностью; г) благодаря качке шарошек и периодиче­ скому осевому перемещению их возникает дополнительное ради­ альное трение между элементами опоры долота п вооружением шарошек с забоем скважины.

Моментоемкость трехшарошечных долот при бурении наклонных скважин

Для создания забойного двигателя с требуемой энергетической характеристикой и проектирования оптимального режима бурения скважин важное значение имеет правильная оценка вращающего момента на долоте с учетом факторов, сопровождающих данное явление.

По вопросу вращающего момента на долоте проведен ряд тео­ ретических и экспериментальных исследований (В. С. Федоров, Г. И. Булах, Л. Е. Симонянц, Ю. Ф. Потапов, В. В. Симонов, Ю. Р. Иоанесян, Ю. В. Садыхов, М. Г. Эскин, Е. М. Соловьев, В. И. Курепин, В. С. Поляков, И. Г. Кручинин и др.), в резуль­ тате которых установлены зависимости его изменения от пара­ метров режима бурения, конструктивных особенностей долот и механических свойств проходимых пород. Все эти исследования проводились для условий бурения вертикальных скважин, когда разрушение пород происходит только под действием осевой на­ грузки. Зависимость же момента на долоте от совместного дейст­ вия осевой нагрузки и отклоняющей силы, характеризующая

мый к долоту вращающий момент Мя затрачивается на преодоле­ ние сопротивлений при разрушении забоя ЛГразр на вертикальное перемещение низа бурильной колонны М/„ на скалывание породы Мск, на торцевое трение Мтг, дополнительное разрушение частиц выбуренных пород Мдоп, трение в опорах долота М0„, вращение долота в промывочной жидкости Мг и трение долота о стенки сква­

138

стенки ствола, то при этом дополнительно затрачивается вращаю­ щий момент, т. е.

Имея в виду приведенные в предыдущем параграфе обозначе­ ния, можно написать

Принимая

где М' — прирост потребного момента на преодоление сопротив­

ления на долоте в случае увеличения осевой нагрузки на 1 тс при данной отклоняющей силе, т. е. удельный момент на долоте на осевую нагрузку в кгс • м/тс; М "а — прирост потребного момента

на преодоление сопротивлений на долоте вследствие увеличения отклоняющей силы на 1 тс при данной осевой нагрузке, т. е. удель­ ный момент на долоте на отклоняющую силу в^ гс- м/тс.

Если в процессе бурения отклоняющая сила не изменяется, то вращающий момент на долоте

Если бурят с постоянной осевой нагрузкой и при этом в опре­ деленных пределах изменяется отклоняющая сила (в результате изменения диаметра скважины, приращения угла искривления ствола, угла закручивания бурильной колонны и т. д.), то вращаю­ щий момент на долоте

Из приведенных выражений следует, что вращающий момент на долоте в зависимости от основных параметров режимов буре­ ния и искривления ствола характеризуется удельными моментами на осевую нагрузку М' и отклоняющую силу М" д.

139

на основании экспериментальных исследований по разрушению за ­ боя п фрезерования стенки ствола в образцах известняка и мра­

чае постоянной отклоняющей силы на долоте, а также с ростом

Рнс. 47. Зависимости момента на долоте IB-I32C от осевой нагрузки и откло­ няющей силы при разбуривании известняка (а) и мрамора (б) с п—280 об/мин:

/-Л1д<еос): 1'~МЯ(Р0Т)

отклоняющей силы при постоянной осевой нагрузке, вращающий момент на долоте возрастает по прямо пропорциональной зависи­ мости, но с различной интенсивностью в зависимости от величины постоянного параметра на долоте и механических свойств разбу­ риваемых пород. При этом темп роста вращающего момента в за ­ висимости от переменного параметра будет характеризоваться удельным моментом на этот параметр.

При разрушении забоя и фрезеровании стенки ствола в образце известняка (см. рнс. 47, а) удельный момент на осевую нагрузку тем выше, чем больше отклоняющая сила. Так, например, если отклоняющая сила на долоте 50 кгс, то удельный момент на осе­ вую нагрузку М' составляет для известняка 35,9 кгс • м/тс, а при

отклоняющей силе 100 кгс — 53,1 кгс • м/тс.

Аналогичная картина наблюдается и для случаев, когда постоянным параметром становится осевая нагрузка, а пере­

140