книги / Оптимизация режимов бурения гидромониторными шарошечными долотами

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ и с с л е д о в а н и я п р о м ы в о ч н ы х у зл о в г и д р о м о н и т о р н ы х д о л о т

И ЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ

— J I M I

Рис. 4.5.2. Результаты обмера свободного межшарошечного пространст­ ва вокруг струи (долото 295,3 СЗ-ГНУ) на расстоянии 70 мм от на­ садки

Негативное влияние конструктивных недостатков промывочной систе­

мы долот можно существенно нейтрализовать приближением насадок к за­

бою. Из рис. 4.5.3 видно, что приближение на 30 мм (новая шкала отсчета

расстояний показана на графике сверху) позволяет обеспечить вписывае-

мость струй, начиная с 13 мм.

171

4.Ж< НКГИМКНТЛЛЬНЫЕ И С С Л Е Д О В А Н И Я ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ ДОЛОТ

ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ

расстояние от насадки до сужения, мм

30 40 50 60 70 80

Рис. 4.5.3. Влияние приближения насадок на вписываемость струи

вместе наибольшего сужения пространства между шарошками.

Всвете изложенного в данном разделе становится понятным описан­ ный в разделе 1.2 (рис. 1.2.1) резкий прирост механической скорости буре­ ния при 160 м/с после относительной стабилизации показателей в интер­ вале скоростей истечения 100...130 м/с. Дело в том, что для реализации скорости истечения 160 м/с требуется применение насадок диаметром меньше 9 мм, что и обеспечило вписываемость струи и, как следствие, ее компактность и создание результативного ударного давления на забой.

172

j. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ШАРОШЕЧНОГО ДОЛОТА НА ЗАБОЕ СКВАЖИНЫ

нимальной абразивностью, и в этом случае все типы долот будут приведе­ ны к одному общему “знаменателю”. По определению величина М„ , как паспортная характеристика долота, должна оценивать стойкость вооруже­ ния при бурении в щадящем режиме, при таких нагрузках g и скоростях вращения долота п, когда выбор их конкретных значений не влияет на ве­ личину М„, как результат испытания. Тогда возникает естественный вопрос о том, как определить, например, стойкость вооружения долота типа “К” при бурении пород типа “М”, если оно практически никогда не использу­ ется при бурении мягких пород. Ответ может быть только один: должны быть найдены переводные коэффициенты, с помощью которых фактиче­ ская стойкость, например, долота типа Т при бурении средних по твердо­ сти пород может быть пересчитана на приведенную стойкость этого же до­ лота для мягкой (“стандартной”) породы. К сказанному важно добавить, что современные долота в силу своей изначальной высокой стойкости практически всегда бурят разные по твердости породы, из которых только часть в полной мере соответствует типу вооружения самого долота. Это, в частности, означает, что опытное определение “паспортной” стойкости до­ лот является не простой в методическом отношении задачей.

Из литературы [168] известны попытки использовать произведение gntn для определения ожидаемой стойкости долота при бурении. Обычно указывается, что обработка промысловых данных приводит к зависимости ( при замене G на g)

где <р и у - определяемые из опыта показатели степени, которые отра­ жают уровень влияния п и G на стойкость вооружения долот.

Если считать, что tf, - это часовая стойкость долота (полностью изно­ шенного), то величину А/ = gvnvte можно толковать как понятие откоррек­ тированного на текущие значения g и п ресурса долота. Формулу (5.1.3) невозможно использовать для определения М,. Логичнее определять ре­ сурс по формуле (5.1.2), а расходование ресурса осуществлять с учетом удельного влияния g , п и других факторов на стойкость долот. Формула (5.1.3) , как и другие подобные ей по назначению, позволяют предсказы­ вать с той или иной надежностью только время полного износа долота. Метод же коррекции расходования ресурса с учетом конкретных g , л, те­ кущего состояния износа вооружения, параметров промывки позволяет решать и другую задачу: обеспечивает слежение за текущим износом воо­ ружения.

На рис. 2.3.2 показаны наиболее вероятные (по характеру) зависимо­ сти относительного износа g , ' от относительной величины израсходо­ ванного ресурса Мн при бурении долотами с фрезерованными зубьями. Вначале, до полного износа твердосплавной наплавки на зубья, g уве­

174

5. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ШАРОШЕЧНОГО ДОЛОТА НА ЗАБОЕ СКВАЖИНЫ

личивается медленно, а затем скорость износа зубьев возрастает до макси­ мума. Дальнейший износ уже сопровождается уменьшением удельной контактной нагрузки на зубья, что постепенно уменьшает темп износа.

Зависимость g „ ,„(Мв’т) можно выразить уравнением

Это уравнение воспроизводит обоснованный в разд. 2 характер зави­ симости g т„(М\т) и получено в предположении, что точка перегиба (мак­ симум темпа износа вооружения) существует (рис. 2.3.3) и она соответст­

С позиции составления математической модели влияния износа на раз­ рушение забоя с последующей реализацией ее на ЭВМ необходимо иметь уравнение для начисления износа вооружения за некоторый промежуток времени А/, , а говоря точнее, шага изменения Ag „ . Для этого можно воспользоваться дифференциалом функции (3.1.4):

где:

М'ш = ———------ - относительная величина израсходованного ресур­

са вооружения долота; ДА/, - начисленный за шаг по времени расход ресурса.

Уравнение (5.1.5) пригодно только для “идеальных” условий, когда ве­ личины g и п относятся к области щадящих параметров режима бурения, породы однородны от начала до конца долбления и не отличаются от тех, при бурении которых величина А/„ получена. Чтобы получить уравнение, пригодное для моделирования любых вариантов режима бурения и про­ мывки скважины, необходимо ввести в (5.1.5) функции, ответственные за корректировку результата вследствие влияния отдельных технологических факторов ( g, п, тип вооружения долота, гидромониторная промывка, твер­ дость породы, ее абразивность и др.)

распределения нагрузки на долото в результате воздействия гиромониторных струй (при бурении без высокоскоростных струй ga= g);

<рт - функция, учитывающая влияние твердости породы;

175

_5_МО£ОИРОВЛНИСРАБОТПЬ^1АК)1МКЧНОГО^аЛОТ>Н^_!АБОЬ_ГЖВАЖ1ШЫ

отнгосительная скорость вращения, п*

Рис. 5.1.1. Зависимость К'„, от и* и ее опытные значения, получен­ ные при роторном и турбинном бурении.

ненно лучше, чем предыдущая, в том числе опытами автора.

Обработка опытных данных (как стендовых, так и промысловых) пока­

нию (5.1.8). На график нанесены результаты обработки диаграмм бурения, полученных в стендовых и промысловых условиях при разных п и пред­

176

5 МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ШАРОШЕЧНОГО ДОЛОТА НА ЗАБОЕ С КВАЖИНЫ

ставленных наличием ЛПР и ЛОР, Видно, что опытные точки располага­ ются достаточно близко от расчетного графика.

Уравнение (5.1.8) инвариантно по отношению к типам вооружения до­ лота и условиям бурения, если известна критическая скорость вращения и > 1. Это предоставляет возможность решать обратную задачу: опреде­ лять пкр, если, например, из тестового бурения найдены A, t и А,. >при за­ данных н/ и п2 . Для этого нужно найти пкр, решив следующее уравнение

численным методом:

Уравнение (5.1.8) можно использовать для прогнозирования К,; (при известных п, , Kst и «Д, если заменить в них , а также для расчета Результаты расчета будут менее точными, чем для области объемного раз­ рушения в связи с тем, что не учитывается непостоянство А ,/ К, при изме­ нении А,. Более строгая методика прогнозирования А, предполагает сле­ дующий порядок расчета:

женной в разделе 2.2.

5.2.Моделирование текущего состояния процесса разрушения забоя долотами с твердосплавными зубками

Ранее уже отмечалось, что износ долот с твердосплавными зубками протекает иначе, чем у долот с фрезерованными зубьями (см. рис. 2.3.2, 2.3.3). Известно [159], что основными причинами износа зубков являются:

-слом зубков в результате накопления усталостных явлений;

-механический слом под действием изгибающих усилий;

-выкрашивание зубков под действием температурных напряжений на контакте с породой.

Из указанных причин только последняя может протекать относительно равномерно, а другие происходят “обвально”, после достижения некоторой предельной нагрузки или после накопления критического числа цикличе­ ских нагрузок, если речь идет об усталостном разрушении.

Функция g „ Ш(М е) описывается уравнением

177

S. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ШАРОШЕЧНОГО ДОЛОТА НА ЗАБОЕ СКВАЖИНЫ

которое удовлетворительно воспроизводит описанный в литературе, в ча­ стности, в работе [20], характер износа вооружения долота и обеспечивает

Уравнение для начисления износа вооружения за шаг /I/ получаем (по аналогии с долотами с фрезерованными зубьями) на основе дифференциа­ ла функции (5.2.1):

распределения нагрузки на долото в результате воздействия гиромониторных струй (при бурении без высокоскоростных струй git = g);

Влияния износа вооружения и скорости вращения долота на угловые коэффициенты ЛПР и ЛОР на диаграмме бурения при использовании до­ лот с твердосплавным вооружением ничем не отличаются от случая при­ менения долот с фрезерованными зубьями, поэтому для прогнозирования Кг , Ks и пч, можно воспользоваться формулами (5.1.7)...(5.1.9).

Влияние промывки забоя на износ вооружения и опоры долот изложе­ но в следующем параграфе.

5.3.Моделирование влияния промывки скважины и забоя на работу долот.

Вразделе 3.5 дано решение задачи перераспределения осевой нагрузки на венцы шарошек в результате воздействия струи на периферию забоя. В том решении не доставало только функций g 0,/ J ) и Ky(g „/■), необходимых для конструирования диаграммы бурения для периферийных венцов неиз­ ношенного долота. Анализ опыта применения гидромониторных долот (раздел 1), экспериментальных данных Финстра и Лювена, результатов расчета фильтрационных скоростей на забое скважины (раздел 3) дает ос­ нование представлять искомые зависимости следующими эмпирическими уравнениями:

178

5. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ШАРОШЕЧНОГО ДОЛОТА НА ЗАБОЕ СКВАЖИНЫ

Раньше, в разделе 3, уже указывалось, что уменьшение g „ до g „/• со­

Последовательность определения проходки за оборот в условиях про­ мывки забоя гидромониторными струями должна быть следующей.

1. На основе известной исходной диаграммы бурения, полученной при отсутствии явного влияния гидромониторной промывки, составляется но­ вая диаграмма, которая, строго говоря, относится только к периферийной области забоя. Параметры диаграммы определяются в зависимости от кри­ терия промывки J.

2.Задавшись осевой нагрузкой g проводят идентификацию варианта случая бурения (/= 1, 2, 3; см, раздел 3), чтобы уточнить расчетные фор­ мулы для вычисления нового значения удельной осевой нагрузки на пе­ риферийные, средние и вершинные венцы.

3.Определяют новую удельную нагрузку на центральные венцы g,t , после перераспределения ее по венцам, а по исходной диаграмме бурения вычисляют искомую проходку за оборот.

Эффективность применения гидромониторных струй, таким образом, зависит не только от интенсивности промывки, оцениваемой величиной J, но и от величин “силовых” параметров. По величине критерия J можно предсказывать ожидаемый эффект от реализации конкретного варианта промывки после решения задачи с помощью программы, описанной в раз­ деле 7.

Решения задачи перераспределения осевой нагрузки предоставляет возможность определения количественного влияния промывки забоя на стойкость вооружения и опоры долот. Первая задача (прогноз стойкости вооружения) решается относительно просто путем использования формул (5.1.6) и (5.2.2).

Вторая задача представляется более сложной по сравнению с анало­ гичной задачей для вооружения. Дело в том, что имеет место двоякое влияние £ на износ опоры долот: через неравномерность распределения нагрузки по венцам и по причине увеличения нагрузки на вершинную часть шарошек. Оба фактора, очевидно, негативно влияют на стойкость долот.

Задача прогнозирования влияния неравномерности нагрузки на стой­ кость опоры долот в принципе решается с использованием функции <р,ы, аргументом которой является относительная величина£*>,/:

179

5. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ШАРОШЕЧНОГО ДОЛОТА НА ЗАБОР СКВАЖИНЫ

эффекта). Искомая функция <гм, призванная управлять нормой начисления износа опоры долота за некоторый короткий промежуток времени At, ве­

где <{>,„ - функция, учитывающая влияние гидромониторной про­ мывки на износ опоры долот.

Рис. 5.3.1. Зависимость коэффициента озноса опоры долот <р,.„ от кри­ терия гидромониторной промывки J :

1, 2, 3 - соответственно для 1-го, 2-го и 3-го вариантов бурения (рис. 2.4.2).

Величина g'n,/• 5 является функцией параметра g о! , который, в свою очередь, является функцией критерия J. Выразив g л ,/• по формулам разде­ ла 3.5, a g „/ - из зависимостей (5.3.1)...(5.3.3) получим в итоге функции tp.JJ), графики которых показаны на рис. 5.3.1. На графики нанесены опытные данные, полученные в результате обработки результатов промы­ словых исследований влияния гидромониторной промывки на показатели работы долот. Видно, что опытные данные расположились достаточно близко от расчетных кривых, что подтверждает адекватность предложен­ ных выше зависимостей (5.3.1)...(5.3.3) и (5.3.6) реальным процессам на забое скважины.

Экспериментальное уточнение функции (5.3.6) имеет важнейшее практическое значение. Крайне необходимо определить значение <р,„ хотя бы для g „,/ 0, что в принципе возможно выполнить в стендовых услови­

18 0