Исследование движения частиц шлама на забое буримой скважины

Аннотация

В процессе бурения скважин на забое скважины образуется пробуренная мелочь, неэффективный вынос которой может привести в образованию «шламового режима» и «шламовых подушек». В результате возникают сальникообразования, прихват бурильной колонны, увеличение крутящего момента и изнашиваемости породоразрушающего инструмента. В данной работе исследовано движение частиц пробуренной горной породы с целью исключения негативных последствий бурового шлама. Ключевые слова: шлам, износостойкость, оседание, скважина, энергоемкость, забой, шламовый режим, скорость бурения, объем, долото, зуб, режим. Буровой шлам, образованный в процессе бурения скважины, состоит из водной суспензии, глинистых минералов и разбуренной горной породы. Практика бурения показывает увеличение объема шлама относительно пробуренной породы, что вызвано трещинообразованием, набуханием глинистых частиц шлама в результате их разуплотнения [1]. 747 Затруднения, возникающие при транспортировки буровой мелочи на поверхность, приводят к возникновению шламового режима, что оказывает отрицательное воздействие на износостойкость породоразрушающего инструмента и механическую скорость бурения. Оседание шлама под породоразрушающим инструментом вызывает интенсивность износа и разлом зубьев посредством образования щелей и царапин на поверхности инструмента. Кроме этого, образование шламового режима существенно снижает механическую скорость проходки скважины и повышает энергоемкость процесса разрушения горной породы за счет повторного разбуривания шлама [2]. На процесс бурения существенно влияют тело и состояние зубьев породоразрушающего инструмента, в свою очередь, состояние породоразрушающего инструмента зависит от движения частиц шлама под его телом. Исходя из этого, исследование динамики и баланса образования частиц шлама, образованных при бурении, является актуальным [2]. Количество образованных частиц шлама одним оборотом породоразрушающего инструмента при бурении зависит от режимов течения и геометрии области движения очистного агента, и может быть определена по формуле [1]: 𝑁 = 𝑉г.п, (1) ч.ш. 𝑉1ш где 𝑉 – объем горной породы, находящейся под породоразрушающим инструментом, м3; г.п 𝑉 – объем одной частицы шлама, м3. 1ш Объем горной породы, находящейся под породоразрушающим инструментом 𝑉 г.п определяется по формуле: 𝑉 = 𝑆∙ℎ ∙К ∙К , м3, (2) г.п угл раз т где 𝑆 – площадь забоя скважины, м2; ℎ – углубление при обороте, м; К – коэффициент угл раз разбуривания породы; К – коэффициент уменьшения объема шлама за счет зубьев т породоразрушающего инструмента. Если ℎ = 𝑣м.𝑐, м, (3) угл 𝑛 где 𝑛 – количество оборотов, ед/сек; 𝑣 – механическая скорость бурения, м/сек м.с Тогда 𝑁 = 𝑆∙𝑣м.с∙Краз∙Кт, (4) ч.ш 𝑉ш𝑛𝑍 где Z – количество секторов. Схема движения частиц шлама под породоразрушающим инструментом с алмазными зубьями и шарошечными долотами представлена на рис.1 и рис.2 соответственно. Рис.1. Движение частиц шлама под телом алмазных коронок и между ее зубьями 748 Рис.2. Движение частиц шлама под телом шарошечного долота и между его зубьями При круглой форме частиц шлама: 𝑉 = 3 𝜋 𝐷с з р = 1 𝜋𝐷з , (3) ш ср 4 8 6 𝑁 = 6𝑆з∙𝑣м∙Кр∙Кт, (4) ч.ш 𝜋𝐷с з р𝑍𝑛 где 𝐷з – средний диаметр забоя скважины, м. ср В процессе бурения частицы шлама, образованные на забое скважины, приводят к истиранию и износу породоразрушающего инструмента. Количество шлама в зазоре между породоразрушающим инструментом и забоем скважины зависит от количества бурового шлама, от величины выхода зубьев из тела матрицы, количества объемных зубьев на инструменте, абразивности горной породы и от др.факторов. В общем случае количество бурового шлама в единице объема зазора определяется по формуле: 𝑁 = 𝑁ч , (5) ш.з 𝑉з−𝑉т−𝑉п.з. где 𝑉 – объем зубьев, выходящих из тела инструмента, м3; 𝑉 – объем породы на зуб п.з. забое скважины, м3. Здесь, 𝑉 = 𝑆 (𝐻 − 𝑅𝑧), (6) з к 𝑚𝑎𝑥 2 𝑉 = 𝑅𝑧𝑆 , (7) п.з. к 2 𝑉 = 𝑛 𝑉 𝑆 , (8) зуб 𝑠 з.м к где 𝑆 – площадь рабочей поверхности долота, м2; 𝐻 – среднее значение длины к 𝑚𝑎𝑥 зубьев на максимальной высоте линии среза, м; 𝑅 – показатель неровности забоя; 𝑛 – 𝑧 𝑠 количество алмазных зубьев на долоте; 𝑉 – объем зубьев, выходящих из матрицы, м3. з.м Таким образом, концентрация шлама между забоем скважины и породоразрушающим инструментом определяется по формуле [1]: К = 𝑉п . (9) ш (𝑉з.с.−𝑉 зуб −𝑉в) Подставив формулы (6), (7), (8) в (9), имеем К = 𝑆з∙ℎугл∙Краз∙Кт (10) ш 𝑍𝑆к(𝐻𝑚𝑎𝑥−𝑅𝑧−𝑛𝑠𝑉з.м.) Как следует из выражения (10), концентрация шлама между породоразрушающим инструментом и забоем зависит от углубления долота за один оборот, параметров долота и абразивности забоя. Размеры частицы шлама оказывают существенное влияние на износ матрицы породоразрушающего инструмента. 749 Минимальный размер частицы шлама взаимовоздействующий с материалом матрицы определяется по формуле [1]: 𝐷 = 𝐻 −𝑅 , (11) 𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑎𝑥 𝑚𝑎𝑥 где 𝑅 – максимальная высота выходящей породы из забоя, м. 𝑚𝑎𝑥 Кроме того, в процессе бурения частицы шлама воздействуют и на ровную (без зубьев) поверхность породоразрушающего инструмента, площадь которой