Статья / Технические науки – Разработка полезных ископаемых и геодезия

УДК 622.243.3:548.4

Горшков Л.К., Яковлев А.А., Буканов А.А.

СТУПЕНЧАТОЕ РАЗРУШЕНИЕ ЗАБОЯ СКВАЖИНЫ ПРИ АЛМАЗНОМ БУРЕНИИ

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург

ООО «Русская буровая компания», Москва

В статье рассмотрены вопросы бурения скважин ступенчатым породоразрушающим инструментом, напряжено-деформационное состояние пород забоя, энергоемкость разрушения пород забоя. Показана эффективность применения алмазных коронок со ступенчатой матрицей.

Ключевые слова: алмазная буровая коронка, механизм разрушения пород забоя, сопротивляемость пород разрушению, удельная энергоемкость процесса.

Ступенчатым принято называть такой забой скважины, при котором разрушение породы при бурении идет одновременно на нескольких уровнях вдоль оси скважины с образованием нескольких поверхностей обнажения породы в виде уступчатой ломаной линии. Этот факт можно объяснить тем, что при передаче энергии на забой первыми вступают в контакт с породой и внедряются в нее передние части секторов матрицы, имеющие наибольшую высоту и наименьшую ширину. Далее, в процессе разрушения забоя постепенно внедряются в породу и остальные алмазы всей поверхности сектора, при этом имеет место клиновое расширение разрушаемой поверхности забоя, вследствие чего забой приобретает уступообразную форму с уступами в виде вытянутых треугольников.

Такая форма уступов способствует тому, что реакция забоя действует на них снизу вверх, передавая на ослабленные поверхности уступов растягивающие усилия, вызывающие их быстрый отрыв от массива и вместе с тем повышение эффективности самого процесса бурения.

Механизм разрушения ступенчатого забоя можно объяснить следующим образом. Как известно [1], напряжения в горном массиве вокруг скважины, вызванные действием гидростатического, порового и горного давлений, значительно превышают напряжения в породах в центре забоя бурящейся скважины. Поэтому в породах плоского забоя напряжения возрастают в направлении от центра к периферии с одновременным ростом сопротивления породы разрушению (сжатию), хотя при этом имеет рост и линейной скорости движения буровых резцов периферийной части алмазного (и других видов) породоразрушающего инструмента. Зависимость темпа роста сопротивления породы сжатию в направлении вдоль радиуса плоского забоя описывается эмпирическим выражением А. Зембы и Н.А. Дудли

q_c(x) = β_э σ_в e^x,

где q_c(x) – переменное сопротивление разрушению пород забоя бурящейся скважины; x – расстояние от центра забоя до рассматриваемой точки в радиальном направлении; β_э – экспериментально полученный коэффициент, учитывающий степень возрастания сопротивления породы разрушению вдоль радиуса скважины от центра забоя к его периферии, 0 ≤ β_э ≤ 1; σ_в – временное сопротивление породы на сжатие.

Подобная зависимость для ступенчатого забоя имеет вид:

q_c(x) = x₁ σ_в / (α_э +x₁),

где x₁ – ширина одного уступа забоя в радиальном направлении; α_э - эмпирический коэффициент, характеризующий изменение сопротивления породы разрушению в пределах одного уступа и зависящий от геометрии забоя скважины и механических свойств буримой породы.

Для каждого уступа забоя существует свое значение α_э, которое уменьшается по мере удаления от центра забоя. При этом в первом приближении величина β_э на значение α_э своего влияния не оказывает.

Снижение сопротивляемости буримых пород разрушению при ступенчатом забое обусловлено переходом от объемного (всестороннего) сжатия к двухосному или даже линейному, что определяется появлением дополнительных поверхностей обнажения горного массива [2].

При воздействии породоразрушающего инструмента на плоский забой в буримой породе возникают значительные сжимающие напряжения, однако разрушение наступает только при добавочном приложении тангенциальной силы (крутящего момента), приводящей к сколу (сдвигу, срезу) и дроблению некоторого объема породы режущей частью буровой коронки или долота. В случае же ступенчатого забоя в породе имеют место одновременно как сжимающие нормальные, так и касательные (сдвиговые) напряжения, при этом величина последних составляет около 10% от величины сжимающих напряжений. На горизонтальных площадках появляются трещины, переходящие и на вертикальные поверхности уступов, ослабляя зону, на которую воздействует породоразрушающий инструмент, что обеспечивает более эффективное разрушение породы при последующем воздействии крутящего момента (тангенциальной силы). Таким образом, сопротивление породы в пределах одного уступа изменяется от значения σ_в до нуля, в среднем оно составляет величину, близкую в σ_в/2. Это способствует возрастанию механической скорости бурения без увеличения осевой нагрузки на коронку и частоты вращения бурового снаряда, что трудно осуществить при использовании комплексов ССК – 59.

Стендовые эксперименты, проведенные в Санкт-Петербургском горном институте показали, что изменение сопротивляемости буримой породы разрушению при ступенчатом забое соответствует эмпирической зависимости [2]:

q_n = (n_c + 1) σ_в/(2n), (1)

где q_n – сопротивление разрушению буримой породы при ступенчатой форме забоя; n_c – число уступов на забое скважины.

Из выражения (1) следует, что для двухуступного забоя при бурении уровень снижения сопротивляемости буримой породы может составлять около 25%, в соответствии с этим можно ожидать такого же роста механической скорости бурения.

Экспериментально установлено, что при работе алмазными коронками с плоским или закругленным профилем торца уровень забойной мощности пропорционален механической скорости бурения [3], а при использовании ступенчатых коронок уровень забойной мощности практически не меняется при изменении скорости бурения.

Тем не менее механическая скорость алмазного бурения пропорциональна удельной забойной мощности, т.е. мощности, отнесенной к единице площади разрушаемого забоя скважины, и определяется энергоемкостью процесса разрушения. При этом геометрия режущей части алмазной коронки должна обеспечивать минимум энергоемкости для разрушения породы. Иными словами, при ограниченной величине забойной мощности, что имеет место при бурении со съемными керноприемниками, механическая скорость бурения может быть увеличена лишь за счет изменения геометрических характеристик режущей части породоразрушающего инструмента.

Если считать, что разрушение породы при бурении есть результат ее динамического взаимодействия с буровым резцом (индентором), то можно утверждать с той или иной степенью достоверности тот факт, что чем больше поверхность деформируемой породы, тем меньше величина удельной энергоемкости процесса разрушения. При этом величина деформируемой поверхности забоя бурящейся скважины определяется значением осевой нагрузки на коронку и геометрической формой забоя скважины. Для конкретной буримой породы величина поверхности, деформируемой при определенной удельной энергоемкости процесса разрушения, зависит от значения коэффициента ослабления сопротивления породы разрушению, что в свою очередь определяется геометрией забоя бурящейся скважины.

Если при этом принять, что удельная энергоемкость процесса разрушения снижается пропорционально ослаблению сопротивления породы, то целесообразно вводить в расчеты соответствующий поправочный коээффициент для удельной работы разрушения. Тогда механическая скорость бурения определится из формулы

V_м = 2N_уд n_c / [( n_c + 1) A_w], (2)

где A_w – удельная работа разрушения; N_уд – удельная забойная мощность.

Из выражения (2) следует, что для повышения механической скорости бурения алмазными коронками без изменения уровня забойной мощности необходимо понизить удельную энергоемкость процесса разрушения. Одним из реальных путей для достижения этого может стать обеспечение ступенчатой формы забоя скважины, бурящейся породоразрушающим инструментом с режущей частью соответствующей геометрическрой формы.

Литература:

1. Кардыш В.Г., Мурзаков Б.В., Окмянский А.С. Энергоемкость бурения геологоразведочных скважин. – М.: Недра, 1984.

2. Горшков Л.К., Мендебаев Т.Н. Разведочное бурение с гидроизвлечением керноприемника. – СПб.: Недра, 1994.

3. Горшков Л.К., Гореликов В.Г. Температурные режимы алмазного бурения. – М.: Недра, 1992.