Буровые долота выбирают в зависимости от физико-механических свойств горных пород, глубины их залегания и способа бурения. Приме­няют шарошечные, лопастные, фрезерные, дробящие, алмазные долота и долота ИСМ различных типов и размеров для сплошного бурения и буре­ния кольцевым забоем. Для мягких пород рекомендуются долота режуще-скалывающего типа. Для разрушения абразивных пород средней твердости, твердых, крепких и очень крепких пород предназначены долота дробяще-скалывающего действия, разрушающие породу зубьями или штырями, рас­положенными на шарошках, вращающихся вокруг своей оси и оси долота. Одновременно с дробящим действием зубья или штыри шарошек при про­скальзывании по забою скалывают породу.

Для разбуривания пород, перемежающихся по твердости и абразивно-сти, используют долота истирающе-режущего действия, разрушающие по­роду твердосплавными штырями, расположенными в торцевой части долота или в кромках его лопастей. Алмазные долота рекомендуется применять для разбуривания пород твердых и средней твердости. Наибольший удель­ный вес в отечественной и зарубежной практике бурения имеют трехша-рошечные долота различных типов и размеров.

Для увеличения скорости бурения большое значение приобретает уг­лубление и расширение теоретических и экспериментальных исследований механики разрушения горных пород и режима бурения скважин, так как частичная модернизация шарошечных долот и технологии бурения уже не обеспечивает существенного роста основных технико-экономических пока­зателей буровых работ.

Режим бурения. По B.C. Федорову, под режимом бурения понимают определенное сочетание факторов, влияющих на показатели бурения. Эти факторы называются параметрами режима бурения.

К числу важнейших параметров относятся: осевая нагрузка на долото Рд; частота вращения долота (или ротора) п; количество (расход) циркули­рующего бурового раствора; качество циркулирующего бурового раствора, подаваемого на забой (фильтрация Ф, статическое напряжение сдвига 0, вязкость г|, плотность р).

Соотношения между параметрами режима подбирают таким образом, чтобы получить наиболее высокие количественные показатели при требуе­мых качественных и возможно более низкую себестоимость 1 м
проходки.

Обобщенным количественным показателем механического бурения, зависящим от параметров режима бурения, является рейсовая скорость проходки vp.

Сочетание параметров режима бурения, при котором получают наибо­лее высокую рейсовую скорость проходки vp и требуемые качественные показатели бурения, при данной технической вооруженности буровой на­зывается оптимальным режимом бурения.

В практике бурения встречаются случаи, когда необходимо подбирать параметры режима бурения для решения специальных задач — обеспечить качественные показатели. Количественные показатели бурения в этом слу­чае второстепенные. Такие режимы бурения называются специальными. К ним относятся режимы бурения, применяемые в неблагоприятных геологи­ческих условиях, а также режимы бурения, используемые при изменении

направления оси ствола скважины (бурение наклонных и горизонтальных скважин) и при отборе кернов. Однако качественное формирование ствола всегда должно быть определяющим.

Механическое разрушение горных пород (углубление) при бурении долотом имеет сложный характер. По количественным показателям углуб­ления нельзя судить о влиянии того или иного параметра на эффект раз­рушения горных пород: их действие всегда комплексное.

Наиболее эффективное углубление скважины возможно только в том случае, если забой полностью очищается от шлама; в противном случае вы­буренная порода оказывает дополнительное сопротивление работе долота, вследствие чего механическая скорость проходки и проходка на долото ниже расчетных величин. Опыт показывает, что технико-экономические показатели проходки скважин в значительной мере зависят от режима промывки и технологических свойств (качества) бурового раствора. Функ­ции буровых растворов многочисленные, однако одними из главных явля­ются те, которые определяют высокие скорости проходки. Если рассматри­вать только скорость проходки и не принимать во внимание поведение ствола скважины (обвалы, осыпи, поглощения раствора и т.д.), то для дос­тижения максимальных показателей работы долот предпочтительней ис­пользовать в качестве промывочного агента маловязкие легкие системы. По степени ухудшения работы породоразрушающего инструмента используе­мые в мировой практике буровые растворы располагаются в следующем порядке: тяжелый (высокоплотный) высоковязкий буровой глинистый рас­твор, легкий маловязкий буровой глинистый раствор, эмульсия, буровой раствор на нефтяной основе, вода, вода с ПАВ, аэрированная жидкость, воздух (газ).

Основные факторы, влияющие на технико-экономические показатели бурения, — компонентный состав, плотность, вязкость, показатель фильт­рации и другие параметры бурового раствора. Убедительные данные по увеличению скорости бурения при снижении плотности бурового раствора получены на скважинах ряда площадей Краснодарского края. Установлено, что по значимости наиболее существенными факторами, влияющими на показатели работы долот, являются в первую очередь плотность, затем вяз­кость и, наконец, фильтрация.

С ростом концентрации твердой фазы в буровом растворе механиче­ская скорость проходки и проходка на долото уменьшаются.

Совершенствование технологии промывки скважин должно идти в первую очередь по пути снижения плотности бурового раствора и содер­жания в нем твердой фазы, что существенно упрощает регулирование вяз­кости, фильтрации и других параметров раствора.

Влияние плотности бурового раствора на процесс бурения и формиро­вания ствола многогранно. Ее увеличение приводит к улучшению очистки забоя и ствола скважины от шлама вследствие действия архимедовой силы, к росту динамической фильтрации на забое за счет повышения положи­тельного дифференциального давления у забоя и к стабилизации стенок ствола в результате сближения гидростатического давления в скважине и горного давления массива пород. Все это способствует росту технико-экономических показателей бурения.

Но с увеличением плотности раствора возрастает давление на забой скважины, что приводит к дополнительному уплотнению породы и ухудше­нию условий отрыва частицы от забоя потоком раствора. На разрушение

образующейся на забое толстой глинистой корки затрачивается энергия, при этом усиливается поглощение раствора вскрытым разрезом и продук­тивными пластами. Мировой опыт бурения скважин свидетельствует о том, что положительное влияние повышения плотности раствора неизмеримо меньше, чем отрицательное, поэтому, если позволяют геологические усло­вия, следует бурить с использованием раствора меньшей плотности, даже если при этом необходимо усложнять технологический процесс промывки и применять более сложное оборудование. Скорость проходки при этом неизменно возрастает.

Роль фильтрации по сравнению с плотностью и содержанием твердой фазы незначительна. Среднестатистические данные показывают, что в во-доглинистых системах с увеличением содержания нефти до 10 % скорость проходки растет. Дальнейшее повышение ее концентрации приводит к об­ратному эффекту. Эти качественные зависимости показывают лишь тен­денцию изменения параметров бурения при изменении основных техноло­гических свойств бурового раствора.

Роль фильтрации раствора в процессе углубления скважины также не­однозначна. С увеличением фильтрации на забое облегчаются условия ска­лывания и отрыва частицы долотом в результате действия расклинивающих сил проникающего фильтрата и выравнивания давления вокруг скалывае­мой частицы; но при увеличении фильтрации уменьшается устойчивость ствола, на забое и на стенке образуются толстые глинистые корки. Разуме­ется, величина фильтрации определяется конкретными условиями. Но вполне очевидно, что фильтрация на некоторое время (принято 30 мин) должна быть минимальной для повышения устойчивости стенки скважины, а мгновенная фильтрация (5—10 с) должна быть максимальной (прибли­жающейся по величине к фильтрации за 30 мин) для улучшения условий бурения.

Вязкость раствора влияет на скорость проходки однозначно. Роль вяз­кости бурового раствора наиболее заметна, особенно в диапазоне 15 — 35 с (по прибору ПВ-5). При бурении стремятся снижать вязкость раствора. Это связано с желанием получать на долоте максимальную гидравлическую мощность при высокой скорости истечения раствора из насадок долота. При правильно выбранном режиме промывки скважины вязкость в про­цессе транспортирования шлама играет подчиненную роль.

Таким образом, при оптимальном соотношении показателей буровых растворов скорость проходки может быть существенно повышена.

Технологические параметры промывки, скорость и режим течения бу­рового раствора определяют интенсивность размыва забоя потоком, диф­ференциальное давление на забое, смыв разрушенной породы с забоя, транспортирование шлама от забоя к устью скважины и т.д. Очевидно, что с увеличением расхода бурового раствора повышается интенсивность разрушения забоя, а скорость проходки возрастает. Но при этом возникают и отрицательные эффекты: дифференциальное давление на забой повышается, увеличивается скорость размыва стенки скважины и т.д. Механическую скорость проходки определяют следующие основные показатели промывки: гидравлическая мощность, срабатываемая на долоте, скорость истечения раствора из насадок долота и дифференциальное давление на забое скважины.

Реализация гидромониторного эффекта струй, выходящих из насадок долота с высокой скоростью, позволяет увеличить скорость бурения и про-

ходку на долото в мягких породах в 2 — 3 раза. В твердых сланцах гидромо­ниторный эффект при скоростях истечения струи 50 — 80 м/с позволяет увеличить скорость проходки и проходку на долото в 1,5 раза.

При больших глубинах энергетические затраты на промывку скважи­ны более ощутимы, чем выигрыш от гидромониторного эффекта долот.

Дифференциальное давление на забой — комплексный фактор, интег­рирующий плотность и вязкость бурового раствора, режим циркуляции, соотношение геометрических размеров ствола и бурильного инструмента и т.д. Независимо от первопричины его увеличение всегда сопровождается ухудшением показателей работы долот. Установлено, что при прочих рав­ных условиях механическая скорость проходки увеличивается с уменьше­нием дифференциального давления на забой.

Обобщив результаты практических наблюдений в России, СНГ, США, Канаде, Иране и других странах, получили качественную зависимость ме­ханической скорости проходки от дифференциального давления на забое скважины.

На темп углубления существенно влияют плотность бурового раствора и содержание в нем твердой фазы. Механическая скорость проходки резко снижается при увеличении плотности раствора от 1,0 до 1,5 г/см3, когда роль выбуренной породы существенна по сравнению с таким утяжелите­лем, как барит. Концентрация твердой фазы в этом диапазоне плотностей достигает 15 — 25 %.

Анализ зарубежных материалов показал, что при бурении скважин в Южной Луизиане (США) уменьшение дифференциального давления с 7 МПа до 0 привело к росту механической скорости проходки на 70 %. Ус­тановлено, что влияние перепада давления на механическую скорость про­ходки более заметно проявляется при росте осевой нагрузки на долото. Чувствительность механической скорости проходки к дифференциальному перепаду давления на забое возрастает с увеличением осевой нагрузки на долото. При отрицательном дифференциальном перепаде, т.е. когда пласто­вое давление превышает давление циркулирующего на забое скважины бурового раствора, скорость проходки продолжает увеличиваться, часто в возрастающем темпе.

Механическая скорость проходки при соответствующих осевой на­грузке и частоте вращения долота растет пропорционально гидравлической мощности, срабатываемой на долоте, и скорости истечения раствора из насадок долота. Чем большая часть давления затрачивается на долоте, чем выше скорость струи, лучше очистка забоя и больше гидромониторный эффект.

Частота вращения долота оказывает различное влияние на показатели бурения. Так, при бурении шарошечными долотами увеличение п
ведет к соответствующему (пропорциональному) росту числа поражений за­боя зубцами шарошек, скорости удара зубцов о породу, динамической составляющей (ударной) нагрузки на долото. Все это повышает эффект разрушения породы долотом, вызывает рост механической скорости проходки. Вместе с тем эти факторы резко сокращают долговечность до­лота.

При увеличении п уменьшается продолжительность х контакта зубцов шарошек с породой (пит — обратно пропорциональные величины). Это снижает эффект разрушения породы, а следовательно, и механическую скорость проходки.  При бурении в результате действия перечисленных

факторов, обусловливаемых изменением п, получается очень сложная за­висимость между п
и vM.

B.C. Федоров, В.Ф. Дудин и Ф.Д. Зенков, рассматривая погружение рабочих элементов долота в породу как движение твердого тела в сопро­тивляющейся среде, установили, что углубление долота за один оборот в зависимости от частоты вращения можно выразить в следующем виде:

6 = À(1 — å–B/n).                                                                                                                          (6.11)

Механическую скорость проходки можно выразить формулой
vì= À(1 — å-B/n)n,                                                                                                                   (6.12)

где А = 55-10-1PA; В = 0,09 (Рд
— удельная нагрузка на долото, Н/м).

Графическое изображение зависимости vM = f(n) свидетельствует о наличии критического значения п, при котором vM = vM max. Для мрамора Икр = 100 об/мин. С увеличением твердости и хрупкости породы пкр
воз­растает.

Значение п™ выше при больших нагрузках на долото.

Далее критическую частоту вращения долота будем обозначать сле­дующим образом: для механической скорости проходки — nVm , рейсо­вой скорости —  Лр   и проходки на долото — Л.

Формула (6.12) соответствует бурению с объемным разрушением по­роды.

При бурении турбобуром в мягких глинистых породах частоты враще­ния должны быть понижены. В хрупких и пластично-хрупких породах скорость vM проходки — возрастающая функция даже при увеличении п
> > 800 îá/ìèí.

Уменьшение углубления за один оборот 8П с ростом п обусловливается тем, что с увеличением п
уменьшается продолжительность х контакта зуб­цов шарошки с породой.

Связь между пит выражается (в с) в виде

 ,                                                                                                                                 (6.13)

nz

где dm/D — отношение диаметров шарошки и долота; п — число зубцов на наибольшем венце шарошки.

Из соотношения (6.13) следует, что х зависит не только от п, но и от диаметров долота и шарошек.

Очевидно, при прочих равных условиях, чем больше z (меньше шаг), тем меньше rVm , и наоборот, чем меньше dm/D, тем выше rVm . Следова­тельно, nv   зависит и от размеров долота.

Описанная зависимость vM =f{n) (6.12) относится к случаям объемного разрушения породы. Если бурят при сравнительно малых осевых нагрузках на долото, то при взаимодействии долота с породой наблюдается разруше­ние последней истиранием (поверхностное разрушение). В этом случае §п = §о =
const, а следовательно, vM = п8о.

А.А. Минин и А.А. Погарский проводили исследования по разбурива-нию разных пород на специальном стенде при частоте вращения долота до 4500 об/мин. Максимальная механическая скорость проходки при этом не превышала 48 м/ч. Следовательно, среднее углубление долота за один обо­рот составляло не более 0,2 мм. При таком темпе углубления долота проис­ходило разрушение породы истиранием.

Опыты показали, что при разбуривании цементного камня, известняка и мрамора с увеличением п трехшарошечных долот от 500 до 4500 об/мин механическая скорость проходки увеличивается пропорционально росту п. При бурении в граните прямолинейная зависимость сохраняется при изменении п от 500 до 2500 об/мин. С увеличением п выше 2000 — 2500 об/мин механическая скорость проходки возрастает несколько мед­леннее роста п. Следовательно, для тех пределов, в которых на практике изменяется п, зависимость (6.12) хорошо подтверждается опытами.

В процессе бурения механическая скорость проходки уменьшается при условии, что процесс ведется при р = const и п
= const. В этом случае снижение механической скорости проходки обусловливается только изно­сом зубцов.

Относительное уменьшение механической скорости проходки проис­ходит пропорционально времени и обратно пропорционально коэффициен­ту износа, т.е.

dvì/vì = — dtâ.á/θt′.

Интегрируя это уравнение, получаем
vM=vMoe-(6/e<.                                                                                                                                       (6.14)

Проходка на долото за время t6 выражается формулой

Лр0 = )vMdt
= vMoe((l-e-(s/e<),                                                                                                        (6.15)

о

где 0( — коэффициент износа, представляющий собой логарифмический декремент убывания механической скорости проходки, равный времени, в течение которого vM уменьшается в е раз (е — основание натурального ло­гарифма).

Опытные данные А.А. Минина и А.А. Погарского показали, что 1/0( изменяется приблизительно пропорционально изменению нагрузки на до­лото; с изменением частоты вращения величина 1/0(
увеличивается быст­рее, чем растет п, особенно при больших его значениях.

Данные свидетельствуют о том, что и для проходки на долото сущест­вует критическое значение для п, и притом оно будет меньше, чем для ме­ханической скорости проходки.

Рейсовая скорость проходки

vM 9((1-е"(б/е’)

vð=    ì0 t,                                                                                                                     (6.16)

‘б

где t6 — время бурения; tn — время, необходимое на проработку и расши­рение ствола скважины; tcn — время на спуск и подъем бурильной колонны и смену долота.

Для vp также существует критическое значение п; численно оно мень­ше соответствующего значения для vM и больше, чем для Л.

Итак, п„   > д,   > nh.

Осевая нагрузка на долото. При прочих равных условиях в зависимо­сти от Рд может происходить разрушение породы либо поверхностное, ли­бо объемное.

Объемное разрушение может наблюдаться после однократного воз­действия на нее зубцов шарошек или после многих воздействий. Первые наиболее полные исследования и обобщения провел B.C. Федоров.

Влияние осевой нагрузки Рд на показатели бурения очень велико. Опытами установлено, что зависимость vM = /(Рд) весьма сложная.

Это обусловливается рядом обстоятельств, однако главнейшие из них — циклический характер разрушения породы, наличие шлама, покры­вающего неровную поверхность забоя скважины, ограниченная высота рабочих элементов долот.

Наличие шлама ведет не только к снижению механической скорости проходки, но и к тому, что vM как функция Рд достигает максимума при меньших значениях Рд.

Итак, чем больше шлама на забое, тем раньше наступает максимум vM как функции Рд
и тем меньше величина этого максимума.

При высокой частоте вращения долота максимум для vM = f(PA) насту­пает при больших Рд, чем при более низком значении п. Отрицательное влияние шлама на vM при более высоком значении п больше, чем при более низком.

Осевая нагрузка, при которой vM достигает максимума, называется критической Р,ф. Иногда с ростом осевой нагрузки на долото механическая скорость проходки не увеличивалась, а значительно снижалась. Все это от­носится к тем случаям, когда к моменту увеличения Рд бурили при Рд > Р,ф.

Долговечность шарошечных долот изменяется обратно пропорцио­нально Рд
в некоторой степени Y я 0,40+0,45. Вероятно, показатель степени зависит от погружения зубцов шарошки. Когда зубцы не погружены в по­роду, Рд больше влияет на разрушение долота, чем при погружении зубцов в породу.

С увеличением Рд
растут vM и Л. Следовательно, сокращается время собственно на бурение скважины и спускоподъемные операции (в резуль­тате уменьшения числа этих операций, числа смен долота). С ростом Рд увеличивается и рейсовая скорость проходки vp.

При увеличении п механическая скорость возрастает, но проходка на долото уменьшается. Следовательно, в этом случае общая продолжитель­ность спускоподъемных операций растет.

Для проходки на долото и рейсовой скорости проходки vp также име­ются критические значения осевой нагрузки Рд, которые обозначим соот­ветственно Рдг и Рдй. Между этими критическими значениями существуют соотношения

Рл„   > Рл„ , Рл„   > Pnh   и Рл„  > Pnh.

Avm            Avp           Avm            A"                 A^p             An

Соотношения между параметрами режима бурения, обусловливаемые особенностями разрушения пород при бурении (по В.С. Федорову). Экс­периментально доказано, что как для частоты вращения долота, так и для осевой нагрузки Рд на него при использовании долот существуют критиче­ские значения, превышение которых ведет к снижению показателей бу­рения.

С ростом п критическое значение Рд„м также несколько увеличивает­ся. На величину РДГм особенно большое влияние оказывает степень очист­ки забоя. С повышением Q величина Рд„м
возрастает. С увеличением плот­ности промывочной жидкости рп
сопротивляемость горных пород возраста-

ет, вследствие чего осевую нагрузку на долото Рд необходимо увеличивать. С ростом п обязательно повышается Рд.

Если осевая нагрузка на долото выше той, при которой возможно только поверхностное разрушение породы, но не выше критической вели­чины, частота вращения долота также не превышает критического значе­ния, а количество промывочной жидкости достаточно для удовлетворитель­ной очистки забоя от выбуренной породы, то, как показывают опытные данные, между средними механическими скоростями проходки vMi и vm2, с одной стороны, и соответствующими им значениями PAi, щ
и Рд2, п2, с дру­гой, существуют соотношения

(6.17)

где х, у — показатели степени.

Между продолжительностью эффективной работы долота на забое t\ и t2 и теми же значениями PAi, щ
и Рд2, п2 установлены соотношения

t1 = i^Jk.                                                                                                                                           (6.18)

Зависимость (6.17) дает вполне удовлетворительные результаты, когда п не превышает в глинистых породах 300 — 350 об/мин, в песках и рых­лых песчаниках 450 — 500 об/мин, в крепких скальных породах 750 — 800 об/мин. При бурении в крепких скальных породах при п > 840 об/мин механическая скорость проходки продолжает увеличиваться с ростом п, но при ýòîì х я 0,45.

Выражение (6.18) в основном проверено до п = 500 об/мин. В этом диапазоне щ
я 0,5÷0,8, à х = 0,7.

Значение показателей степени при Рд колеблется в пределах от 1,1 до 1,5; ÷àùå y = 1,1, à y1 = 0,40÷0,45.

Если диапазон изменения п и Рд
сравнительно невелик, то можно пользоваться формулой

 (6.19)

В зарубежной нефтегазовой промышленности нет единых твердо ус­тановленных и обоснованных параметров режима бурения, которые реко­мендовались бы для разбуривания пород с различными механическими свойствами. Для каждого района имеются параметры режима бурения, ко­торые считаются наилучшими.

Большинство фирм, как тех, которые ведут бурение на промыслах, так и тех, которые выпускают долота, рекомендуют бурить при высоких на­грузках из расчета 1— Зт
на 1" диаметра долота, при больших количествах бурового раствора, обеспечивающих скорость восходящего потока в коль­цевом пространстве 0,7 — 1,2 м/с, при относительно малых скоростях вра­щения ротора (долота) — в пределах от 150 до 200 об/мин (но не выше 300 îá/ìèí).

С увеличением размера долота осевую нагрузку увеличивают пример­но пропорционально диаметру долота. При бурении в крепких породах применяют более высокие нагрузки на долото, чем в мягких породах.