5.4.4. Динамика работы шарошечных долот с учетом влияния бурильной колонны

В процессе работы на забое шарошечное долото совершает продольные колебания с амплитудой А (рис. 5.64, б). Влияние на величину амплитуды некоторых конструктивных параметров долота отражено формулой (5.77). В то же время следует учитывать также влияние свойств горных пород, например, упругости и жесткости, а также основных характеристик буровой компоновки на возможную динамику работы долота (рис. 5.67).

Основные исследования по этому вопросу представлены в работах В.С. Владиславлева, М.М. Александрова, Л.Е. Симонянца, П.В. Балицкого, А.Е. Сарояна, Е.К. Юнина и других специалистов, занятых бурением скважин на нефть и газ. В этих работах отмечается, что в процессе продольных колебаний долото под влиянием упругодеформированной буровой колонны и упругой реакции горной породы может отрываться от забоя и наносить по забою удары, которые существенно превышают статическую осевую нагрузку, задаваемую в качестве параметра режима бурения. Подобные процессы снижают эффективность бурения, т.к. приводят к повышенному и скорому износу долот, снижают механическую скорость бурения.

И сследования, проведенные рядом авторов (П.В. Балицкий, Л.Е. Симонянц, Р.А. Каннингхэм и др.) показали, что продольные колебания становятся наиболее значительными при бурении твердых горных пород, когда образуется волнообразная поверхность забоя с высотой выступов 5-12 мм. При этом образуется равное число выступов и впадин, соответствующих числу шарошек долота. Например, при бурении трехшарошечным долотом может образовываться три выступа и три впадины. Известны случаи, когда при бурении трехшарошечным долотом число впадин и выступов удваивается (по шесть) или утраивается (по девять). Для двухшарошечного долота число впадин и выступов обычно равняется двум или четырем.

Амплитуда колебаний долота при работе по ухабообразному забою может составлять при работе по волнообразному забою 10-25 мм. Подобные отскоки крайне негативно сказываются на производительности бурения и ресурсе долот. На амплитуду отскоков существенное влияние оказывают физико-механические свойства буримых горных пород, прежде всего упругость, жесткость, и некоторые параметры буровой компоновки, размещаемой над долотом.

В соответствии с исследованиями Л.Е. Симонянца [29], кинетическая энергия работающего долота U_д расходуется на энергию деформирования горной породы U_п и энергию деформирования буровой компоновки U_к

U_д = U_п + U_к. (5.83)

Деформирование колонны и горной породы происходит под действием динамической осевой силы, которая вызвана процессом колебаний долота P_д. Эта сила превышает осевую нагрузку Р_ос, которая задана как параметр режима бурения.

Энергию сжатой породы определим из условия её деформирования усилием Р в соответствии с зависимостью, отражающей деформирование породы при вдавливании индентора:

, (5.84)

где ξ – деформация породы;

m – показатель упругости породы, определяемый по кривой деформации горной породы при вдавливании индентора (для хрупкого и упругого гранита равен 1, для пластичного и упругого мрамора 0,33, для известняка 0,5) [29];

k – показатель жесткости породы.

Показатель жесткости породы может определяться по следующей зависимости на основании опытных данных определения твердости горной породы:

, (5.85)

где р_ш – твердость горной породы;

F_ш – площадь торца внедряемого в породу индентора.

Энергия сжатия породы определится из выражений

. (5.86)

С учетом этой зависимости и выражений для расчета кинетической энергии работающего долота (2.54) , а также деформации колонны запишем уравнение (5.83) в общем виде:

, (5.87)

где v_ш – линейная скорость зубьев шарошки [см. формулу (5.74)], м/c;

g – ускорение свободного падения, м/c²;

Е – модуль упругости материала буровой компоновки, Па;

F – площадь поперченного сечения буровой компоновки, м²;

q – удельный вес материала бурильных труб, даН/м³.

Линейная скорость v_ш может рассчитываться по формуле (5.74).

Частное решение уравнения (5.87), например, при m=0,5 позволяет рассчитать величину Р_д и коэффициент динамичности k_д процесса передачи осевой нагрузки на забой скважины [29]:

. (5.88)

. (5.89)

Анализ зависимостей (5.88) и (5.89) показывает, что динамические параметры бурения шарошечными долотами в основном определяются частотой вращения долота (в формулах представлена как линейная скорость зубьев шарошки v_ш). Значительное влияние на динамическую нагрузку и коэффициент динамичности оказывают упругость, поперечные размеры и вес буровой компоновки, а также параметры упругости и жесткости горной породы.

Для гашения поперечных колебаний долота рекомендуется ограничить частоту вращения бурильной колонны. По производственным данным, лучшие показатели работы шарошечных долот достигаются при частоте вращения 100-300 мин ^-1.

Крайне важным при бурении шарошечными долотами является применение утяжеленных бурильных труб, специальных стабилизирующих элементов буровых компоновок, обеспечивающих уменьшение деформирования и вибрирования буровых компоновок.

Для гашения поперечных колебаний долота при бурении могут применяться специальные упругие гасители поперечных колебаний, которые устанавливают в компоновке над долотом.