Максимальное давление (в Па) в процессе циркуляции бурового раствора

р_гд=r_кпgH+p_кп, (8,31)

где ρ_кп - плотность бурового раствора на выходе из кольцевого про­странства, кг/м³; g - ускорение свободного падения, м/с²; H - глубина залегания скважины по вертикали, м.

Определение параметров режима бурения по эмпирическим зависимос­тям. В промысловых условиях часто появляется необходимость в опре­делении параметров режима бурения. Проводка опорно-технологичес­ких скважин процесс, требующий много времени и средств. В случаях, когда необходимо знать параметры режима бурения, не дожидаясь окончания проводки опорно-технологической скважины или по каким-либо причинам бурение опорно-технологических скважин вообще неце­лесообразно, следует определять параметры режима бурения, пользуясь эмпирическими зависимостями. Известны такие зависимости и методи­ки определения по ним параметров режима бурения. Рассмотрим неко­торые из них.

Расход бурового раствора (Q) из условий очистки забоя от выбурен­ной породы по удельному расходу на 1 см² площади забоя определяется по формуле (8.1). Величина, необходимая для выноса частиц выбуренной породы (шлама) на поверхность, определяется по формуле (8.15). Рекомендуется определить Q по обеим формулам и принять наибольшую из полученных величин.

Осевая нагрузка на долото с учетом показателей механических свойств горных пород и данных о площади контакта рабочих элементов долота с забоем

р_д=αр_шF_к, (8,32)

где α - эмпирический коэффициент, учитывающий влияние забойных условий на изменение твердости, α = 0,3 — 1,59 (для практических расче­тов коэффициент можно принять равным единице); р_ш - предел прочнос­ти породы, определяемый по Л.А.Шрейнеру (см. гл. III, §2); F_к - площадь контакта зубьев долота с забоем (в мм²) определяется по формуле В. С. Федорова

(8.33)

D_д - диаметр долота в мм; η -коэффициент перекрытия; среднее значение η = 1,05-2; δ - начальная тупизна зубьев долота, равная 1-1,5 мм.

В результате меняется рациональное соотношение между парамет­рами режима бурения, и возникает необходимость поиска нового соот­ношения между этими параметрами. Этот поиск осуществляет бу­рильщик, манипулируя Р_д, а если это возможно, то и n. Однако непрерывное ведение поиска оптимальных параметров режима бурения нецелесообразно, а поэтому бурильщик делает это время от времени. От того, насколько правильно и своевременно бурильщик скорректировал параметры режима бурения, зависит эффективность работы долота.

§ 10. Контроль за параметрами режима бурения

Текущий контроль параметров процесса бурения осуществляется с помощью следующих основных приборов: индикатора веса, мано­метра, моментомера, тахометра, а также приборов для измерения механической скорости и проходки.

Индикатор веса. Осевая нагрузка на долото в каждый момент определяется индикатором веса. По этому прибору находят также нагрузку, действующую на крюк талевой системы. Наибольшее рас­пространение получили гидравлические индикаторы веса. Принципиаль­ная схема измерения усилий при помощи гидравлического индикатора веса показана на рис. 8.17. Основная часть индикатора веса - трансфор­матор (мессдоза), который состоит из корпуса 1 и поршня 4 в виде тарелки. Талевый канат проходит через роликовые опоры 2, 5 корпуса и роликовую опору 3 поршня, изгибаясь под определенно заданным углом. Трансформатор давления укрепляется на неподвижном конце каната. Благодаря изгибу оси каната возникают усилия, действующие на поршень (мембрану), который опирается на резиновую камеру 6 с жид­костью. Воспринимаемое жидкостью усилие передается по системе трубок на указывающий и записывающий манометры.

Рис. 8.17. Схема трансформатора дав­ления индикатора веса

Комплект индикатора веса состоит из трансформатора давления, одного указывающего манометра и одного самопишущего манометра с круглой диаграммой, вращаемой часовым механизмом со скоростью 1 об/сут. Указывающий манометр с условной шкалой, градуированной на 100 делений, устанавливают на щите у поста бурильщика. Очень часто в комплект индикатора веса входит верньер, представляющий собой мощный наружный манометр со стрелкой, замкнутой шкалой, разделенной на 40 делений без цифровых обозначений. Каждому деле­нию верньера соответствует половина деления указывающего мано­метра. Поэтому верньером удобно пользоваться для определения на­грузки на долото, так как при этом отсчеты проводятся с большой точностью. Верньер рассчитан на давление до 60 делений по манометру.

Если вес бурильной колонны превышает 60 делений, то верньер надо выключать.

Перед установкой индикатора веса необходимо убедиться в том, что неподвижный конец талевого каната на всем своем протяжении от ролика кронблока до места укрепления проходит свободно, не задевая за элементы фонаря вышки. Канат в месте крепления трансформатора не должен иметь разорванных проволок и следов видимого износа.

После того как индикатор веса смонтирован и проверена его гер­метичность, устанавливают стрелку показывающего манометра на деле­ние 10 при свободном крюке. Это делается для того, чтобы можно было в любой момент заметить утечки жидкости из трубочек в местах их соединений.

Через каждые 6 мес индикатор веса независимо от его состояния необходимо демонтировать для осмотра и текущего ремонта. Ремонт индикатора веса на буровой, связанный хотя бы с частичной разборкой трансформатора давления, указывающего и самопишущего манометров, запрещается. Не разрешается также замена отдельных приборов комплекта.

Вся гидравлическая система заполняется водой, а в зимнее время смесью воды со спиртом или глицерином. Жидкость, заполняющая систему, должна быть нейтральной по отношению к кислотности и ще­лочности, обладать малым коэффициентом расширения, не растворять резину и замерзать.

Наиболее удовлетворяют этим условиям 50%-ный раствор глицери­на в воде. При отсутствии глицерина применяют разбавленный спирт (40% воды).

В условиях покоя натяжение концов в канате

Р = Q/n, (8.34)

где Q - усилие на крюке; n - число рабочих роликов талевого блока.

Одно и то же показание индикатора веса может соответствовать (в зависимости от оснастки талевой системы) разным действительным весам бурильной колонны. Соотношение между нагрузкой Q на крюке и усилиями в ведущем и неподвижном концах талевого каната в зависимости от оснастки системы и состояния талевого механизма.

К каждому индикатору веса прилагается паспорт, в котором указана цена делений прибора для разных показаний прибора. Цена делений в начале шкалы манометра меньше цены делений в конце шкалы. Это объясняется изменением угла прогиба каната в сторону уменьшения по мере увеличения нагрузки на крюке. На практике часто приходится определять цену деления индикатора, не пользуясь паспортом прибора. В тот момент, когда долото не касается забоя скважины, вес бурильной колонны соответствует некоторому показанию индикатора веса А; зная, что условный нуль индикатора веса отнесен к 10 делению, легко определить цену делений:

Ц=Q/(А-10). (8.35)

Приближенный вес бурильной колонны

(8.36)

где L - длина колонны бурильных труб, равная глубине скважины в дан­ный момент, м; l - длина одной свечи, м; q - вес погонного метра бурильных труб, кН; q₃ - вес замка, кН.

Для того чтобы определить осевую нагрузку (давление на забой) в момент бурения, необходимо знать показание индикатора веса в мо­мент бурения. Если показание индикатора веса В, то осевая нагрузка

Р_д=(А-В)Ц. (8.37)

Отсчет проводится в следующем порядке. Спускаемую в скважину бурильную колонну с навинченной ведущей трубой поднимают над забоем на 2-3 м и затем с вращением и циркуляцией бурового раствора медленно опускают. В этот момент фиксируют показание А стрелки манометра. После создания давления (осевой нагрузки) на забой частью веса бурильных труб на долото определяют величину В. Разность между этими двумя показаниями, умноженная на цену деления индикатора веса, характеризует осевую нагрузку. Допустим, что Ц = 7,24 кН, А = 35 делений, В = 31 деление, тогда Р_д = (35 - 31) * 7,24 = 28,96 кН.

Индикаторы веса применяют не только при бурении, но и при ловильных работах и спуске промежуточных и эксплуатационных колонн и т. д. Внимательное наблюдение за индикаторами веса очень часто позволяет предотвратить аварии во время спуска бурильной колонны и в процессе других работ. По индикаторной диаграмме инженерно-технические работники изучают процесс бурения, разрабатывают режи­мы бурения, контролируют соблюдение заданных параметров режима.

Основной недостаток гидравлического индикатора веса зависи­мость показаний от диаметра каната, от температуры окружающей среды, от утечек жидкости. Кроме описанного выше гидравлического индикатора веса, существуют электрический и механический индикаторы веса. Электрический индикатор веса так же, как и гидравлический измеряет вес бурильного инструмента по усилию в неподвижном конце талевого каната.

Электрический индикатор веса состоит из датчика с индукционным преобразователем, назначение которого воспринимать натяжение непод­вижного конца талевого каната и отображать это натяжение пропор­циональной ЭДС. Он имеет также измеритель записывающего или указывающего типа.

К основным преимуществам электрического индикатора веса отно­сятся следующие: независимость показаний от диаметра каната, воз­можность осуществления дистанционной передачи, легкость изменения чувствительности прибора, большая точность.

Чтение индикаторных диаграмм. Регистрирующая часть индикатора веса позволяет по записи на диаграмме оценивать работу в скважине, следить за соблюдением буровой бригадой заданных параметров режи­ма бурения. На диаграмме индикатора веса отмечаются все колебания веса инструмента на подъемном крюке в течение суток. Диаграмма гидравлического индикатора веса (рис. 8.18) представляет собой бу­мажный круг с расчерченными на нем концентрическими окружностями. Черные круги соответствуют делениям манометра в 0; 10; 20; 30, ..., 100 единиц. Пространство между этими окружностями разделено на 10 частей, через которые проходят тонкие окружности.

Рис. 8.18 Индикаторная диаграмма

Таким образом, интервал между каждыми двумя соседними окруж­ностями соответствует одному делению манометра. Отметки от 0 до 100 идут от центра к периферии. Наружная окружность разделена на 24 больших части соответственно часам в сутки, а каждая большая часть в свою очередь разделена на четыре части, соответствующие каждая 15 мин. Через каждое из этих делений проведены кривые радиусом, равным длине пера от его центра вращения. Запись на диаграмме надо читать следующим образом. Если линия на диаграмме проходит парал­лельно одной из окружающей, то это означает, что в этот отрезок времени вес на крюке не изменился. Это может быть или при остановке, или же в процессе бурения при постоянной нагрузке.

Если линия проходит параллельно кривой, радиальной линии, то это значил-, что в данный момент времени произошло мгновенное изменение в весе бурильной колонны на подъемном крюке. Последнее происходит во время' подъема бурильной колонны с ротора, натяжки прихваченной в скважине бурильной колонны и т. д. Разница будет только в том, что в последнем случае крайняя точка этой кривой будет значительно превосходить наибольший вес бурильной колонны в данный момент.

Если посадить бурильную колонну на элеватор, то этот момент будет также отмечен такой же линией, но с той лишь разницей, что в данном случае она покажет на уменьшение веса на подъемном крюке от какого-то максимума до условного нуля (десятое деление). Процесс спуска начинается после смены долота, т. е. при минимальном весе на подъемном крюке, и характеризуется постепенным увеличением веса с каждой спущенной свечой.

Процесс подъема бурильной колонны из скважины представляет собой на диаграмме картину, обратную спуску. С каждой свечой вес на крюке уменьшается. Так как в процессе подъема от ротора до балкона верхового рабочего вес бурильной колонны остается одним и тем же, а подъем длится некоторое время, то период подъема будет на диаграмме обозначаться небольшой площадкой, параллельной окружности и со­ответствующей весу бурильной колонны в данный момент. Поэтому на индикаторной диаграмме при подъеме каждой свечи будут зафиксиро­ваны две линии, соединенные на конце площадочкой.

Рассмотрим, как будет фиксироваться на диаграмме процесс буре­ния. Если осевая нагрузка поддерживалась постоянной, то площадка параллельна окружности, характеризующей вес бурильной колонны. Если же в процессе бурения происходили колебания осевой нагрузки на забой, то это будет характеризоваться изменениями в виде рывков и волнообразных записей на диаграмме.

Осевая нагрузка на забой может быть определена как разность между весом бурильной колонны, приподнятой над забоем, и весом бурильной колонны, частично опирающейся на забой при бурении. На диаграмме осевая нагрузка находится по числу клеток между окружностями, соот­ветствующими максимальному отклонению стрелки манометра при окончании спуска бурильной колонны и минимальному отклонению стрелки в процессе бурения. Деления по манометру следует переводить в килоньютоны.

Контроль за другими параметрами режима бурения. Давление буро­вого раствора измеряется датчиком, который монтируется на трубо­проводе между насосами и стояком или на стояке нагнетательной линии буровых насосов. Частота вращения ротора измеряется тахометрами разных конструкций. Существуют также приборы, измеряющие механи­ческую скорость проходки, а также регистрирующие и показывающие забойные параметры процессов бурения (число оборотов вала турбо­бура, пространственное положение забоя скважины и т. д.).

Все эти приборы входят в комплект системы наземного контроля процессов бурения ПКБ (пульт контроля процессов бурения). Номен­клатура параметров определяется в зависимости от мощности буровой установки. Постоянно ведутся работы по совершенствованию системы контроля и управления процессом бурения скважины.

Процесс строительства скважин характеризуется быстрым измене­нием ситуаций и действием многочисленных взаимосвязанных факторов, меняющихся во времени и пространстве. Несмотря на цикличность и повторяемость производственных процессов при бурении скважин, каждый цикл обычно имеет свои особенности, обусловленные влиянием конкретных геолого-технических и организационных факторов. Кроме того, в процессе бурения часто возникают' разные непредвиденные ситуации, нарушающие запланированный ход производства и требую­щие принятия оперативных решений. Эти ситуации возникают обычно из-за аварий, геологических осложнений при бурении (уходы цирку­ляции, обвалы и т. п.), неожиданного выхода из строя бурового оборудо­вания и породоразрушающего инструмента и т.п.

По функциональному назначению устройства, предназначенные для контроля и управления процессом бурения скважин, можно подразде­лить на средства наземного контроля параметров режима углубления скважин; средства автоматического регулирования подачи долота; средства оперативной оптимизации процессов углубления скважин; системы диспетчерского телеконтроля и управления буровыми про­цессами; средства сбора и передачи технологической информации для последующей обработки и использования.

Разработаны и применяются устройства, позволяющие оптимизи­ровать отдельные параметры режима бурения, а также комплексные системы управления процессом бурения (углубления) скважин на основе использования средств автоматики, телемеханики и ЭВМ. К ним отно­сятся системы типов ПРБ-2 «Поиск», СКУ-2 «Эксперимент» и др.

Рассмотрим некоторые из них.

Конструкторским бюро ПО «Саратовнефтегаз» разработан прибор режима бурения ПРБ-2 «Поиск» для определения оптимальной осевой нагрузки на долото в процессе турбинного бурения, а также рациональ­ного времени работы долота на забое но данным измерения механи­ческой скорости проходки и эффективной осевой нагрузки в течение рейса. Прибор состоит из четырех следующих основных узлов: измери­тельного блока, датчика нагрузки, выносного пульта управления, дат­чика проходки. По схеме прибор разделен на две части, а именно: схема определения оптимальной нагрузки на долото и схема определения механической скорости проходки.

Система контроля и оптимального управления процессом бурения СКУ-2, разработанная ВНИИТнефтыо совместно с Куйбышевским по­литехническим институтом, предназначена для бурения вертикальных скважин глубиной до 3000 м турбинным способом и представляет собой комплекс информационно-измерительных устройств, выдающих буриль­щику в ходе бурения минимум информации, необходимый для управ­ления проводкой скважины в заданном режиме.

Система обеспечивает следующее: визуальный контроль и запись на диаграмме веса бурильной колонны; визуальный контроль осевой на­грузки на долото, проходки, крутящего момента и давления в нагнета­тельной линии буровых насосов; выдачу бурильщику предупреждающих сигналов при опасном увеличении крутящего момента и остановке турбобура. Кроме того, система может выдавать бурильщику сигналы о целесообразности повторения поиска эффективной нагрузки на долото из-за изменения условий его работы или подъема долота в связи с выходом из строя его опор, или значительным износом вооружения.

Передачу параметров режима бурения на расстояние широко исполь­зуют как при помощи проволочной, так и беспроволочной связи. Это позволяет па диспетчерских пунктах (участках) оборудовать специаль­ные пульты, па которых монтируют показывающие и регистрирующие приборы параметров режима бурения каждой буквой. Диспетчер (инже­нер участка) имеет возможность круглосуточно следить за работой буровых и при необходимости незамедлительно вносить нужные кор­рективы в процесс проводки скважины.

Телеметрия забойных параметров при бурении скважин - решающий фактор в создании автоматической системы управления процессом бурения. В результате отечественных и зарубежных работ создано большое количество приборов для контроля забойных параметров (под забойными параметрами понимается напряженное состояние бурильной колонны, скорость вращения долота, температура и давление на забое скважины, местоположение ствола скважины в пространстве и т. п.). При этом для связи с поверхностью используют разные виды связи, как-то;

1) электропроводный с помощью встроенной в колонну труб линии связи;

2) беспроводные с передачей электрического сигнала по бурильной колонне и горным породам и передачей гидравлических импульсов по промывочной жидкости, заключенной в бурильной колонне;

3) механический по телу бурильной трубы.

Существуют два принципиальных метода передачи сигнала с забоя по каналам связи непрерывный и дискретный. Более удобным и надеж­ным в практических целях считается второй. Все большее признание находит идея создания автономного забойного двигателя с одновремен­ной регистрацией забойных параметров.

Для телеконтроля комплекса параметров процесса бурения скважин электробурами и состояния двигателей электробуров разработано не­сколько систем. В этих системах передача телеметрических сигналов в скважине осуществляется по токоподводу электробура. Наибольшее распространение получила телеметрическая система СТЭ, разработан­ная Харьковским СКТБЭ.

Устройства для выбора оптимальных параметров режима бурения. Как показала практика, из-за разнообразия условий проводки скважин и множества переменных, от которых зависят показатели, невозможно даже при помощи ЭВМ заранее абсолютно точно рассчитать и устано­вить значение параметров, отвечающих оптимальному режиму. В лю­бом случае в процессе бурения приходится корректировать расчетные параметры режима бурения применительно к конкретным условиям. Эта корректировка зависит от индивидуальных способностей бурильщика и его квалификации. Для того чтобы помочь бурильщику в принятии окончательных решений, разработаны и используются (особенно за рубежом) устройства для управления буровыми операциями с помощью ЭВМ (персональные). Аппаратура и датчики, размещенные в разных пунктах буровой установки, обеспечивают ЭВМ исходными данными, которые необходимы для оценок. Обрабатывая полученную инфор­мацию, ЭВМ выдает прогноз проходки на долото до его износа, прогноз времени работы долота до его износа, оптимальную нагрузку на долото, оптимальную частоту вращения долота, а также другие рекомендации по проводке скважины.

§ 11. Подача инструмента

Условия подачи инструмента и погружения долота. Под подачей инструмента надо понимать его вертикальное перемещение на поверх­ности, которое осуществляется опусканием ведущей трубы в ротор на некоторую величину в результате ослабления (оттормаживания) тормоза лебедки. Под погружением долота следует понимать глубину внедре­ния долота в породу, происходящего под влиянием подачи инструмента.

Необходимо различать величину подачи, производимой сверху бу­рильщиком или автоматом, и глубину погружения долота в породу, так как колонна бурильных труб не абсолютно жесткая система и испыты­вает (в зависимости от возникающих в ней усилий) упругие деформации, компенсирующие разницу между подачей и глубиной погружения долота. Таким образом, погружение долота всегда меньше подачи инструмента и в то же время любое погружение долота происходит только в результате подачи инструмента. В этом органическая связь И принципиальное отличие этих двух понятий.

Подача инструмента, осуществляемая бурильщиком, должна быть плавной, непрерывной и обеспечивать такое давление долота на забой, которое превышало бы сопротивляемость горных пород разрушению и создавало наиболее эффективную скорость их разбуривания. Инстру­мент подается при помощи подъемного механизма (буровая лебедка), оборудованного мощным тормозным устройством и талевой системой.

Механическая подача долота в бурении. Автоматизация и механиза­ция буровых работ, облегчая труд и увеличивая безопасность, приобре­тает особое значение в связи с увеличением глубин, мощностей буровых двигателей и внедрением фиксированных режимов бурения.

В большинстве случаев передача веса инструмента на забой сква­жины проводится бурильщиком вручную. Бурильщик должен хорошо знать условия бурения в данном районе и в соответствии с этим регулировать подачу инструмента. Выдержать равномерность подачи при помощи тормоза лебедки чрезвычайно трудно. Ручная подача очень утомляет бурильщика, так как ему приходится одновременно внима­тельно следить за измерительными приборами, напрягать зрение, слух и, держась за ручку тормоза, по физическому ощущению судить о харак­тере работы долота на забое. Мастерство бурильщика-это квалифика­ция физической натренированности, что постигается годами и требует особых физических и психических данных.

Равномерная подача в пределах заданного давления на забой дости­гается механизированной подачей. При этом должны быть выполнены следующие основные требования.

1. Скорость подачи инструмента должна устанавливаться автомати­чески в соответствии с крепостью проходимых пород и степенью износа долота.

2. Скорость подачи должна плавно регулироваться в широких преде­лах от нескольких десятков метров в 1 ч при бурении в мягких до нескольких сантиметров в крепких породах.

3. При остановке гидравлического забойного двигателя, а также при значительных перегрузках бурового двигателя должен быть предусмот­рен реверс системы - подъем долота с забоя.

4. Автомат должен быть прост и надежен в эксплуатации. Все известные системы устройств для подачи долота (УПД) можно подразделить на следующие основные группы:

1) автоматы подачи, работающие в зависимости от значения выде­ляемой на бурение мощности;

2) автоматы подачи, работающие в зависимости от натяжения тале­вого каната (нагрузки на долото);

3) регуляторы подачи, осуществляющие равномерную подачу ин­струмента (регуляторы отличаются от автоматов подачи тем, что у них отсутствует реверс бурильной колонны);

4) стабилизаторы веса, подающие инструмент при постоянной задан­ной величине осевой нагрузки на долото.

Известны несколько конструкций УПД. В качестве примера рас­смотрим автоматический регулятор типа РПДЭ-3 (регулятор подачи электрический). Этот регулятор предназначен для поддержания режимов бурения нефтяных и газовых скважин гидравлическими двигателями и ротором (при бурении электробуром широкое применение получил автоматический регулятор типа БАР).

Регулятор подачи электрический обеспечивает поддержание заданной осевой нагрузки на долото (нагрузка задается бурильщиком с пульта управления); постоянную скорость подъема или подачи бурильной колонны (скорость задается бурильщиком с пульта управления).

Осевая нагрузка на долото Р измеряется с помощью электрического датчика 6 и передается на пульт управления 5, где сравнивается с величи­ной Рц, задаваемой бурильщиком (рис 8.19). Разность сигналов АР поступает на усилители, установленные в станции управления /. Усили­тели действуют на обмотку возбуждения мотор-генератора 2, вра­щаемого асинхронным электродвигателем, питающимся от системы электроснабжения буровой. Генератор 2 питает двигатель постоянного тока 3, установленный на приводе редуктора 4 и соединенный через цепную передачу и муфты с подъемным валом лебедки.

Рис. 8.19. Схема регулятора подачи РПДЭ-3

Рис. 8.20. Схема стабилизатора веса СВМ

Режим поддержания заданного значения скорости подачи (или подъ­ема) бурильной колонны может применяться для проработки скважины, аварийного подъема бурильного инструмента при отказе главного привода и т. п. Автоматическое поддержание заданной осевой нагрузки на долото может осуществляться при помощи стабилизаторов веса. В качестве примера рассмотрим устройство стабилизатора веса типа СВМ (конструкция ВНИИБТ). СВМ можно устанавливать на буровых лебедках при наличии пневмосистемы с давлением воздуха 0,6-0,9 МПа. СВМ (рис. 8.20) состоит из исполнительного пневматического поршне­вого механизма 5, соединяемого с рукояткой ленточного тормоза буровой лебедки; пульта управления 4 с электроконтактным мано­метром и рукоятками для установки осевой нагрузки на долото и подачи инструмента за один импульс; механизма обратной связи 2, соеди­няемого с барабаном лебедки 1 с помощью фрикционного ролика; соединительного электрического кабеля.

Перед включением СВМ в работу по шкале прибора на пульте управления задается величина осевой нагрузки на долото, которую необходимо поддерживать в процессе бурения. СВМ осуществляет импульсную подачу бурильной колонны, прерывая или возобновляя ее в процессе бурения, если фактическая нагрузка на долото отличается от заданной на величину более чем на ± 3 кН по гидравлическому индикатору веса 3. При необходимости бурильщик может в любой момент затормозить лебедку простым нажатием на тормозную рукоятку и тем самым вывести СВМ из действия. Стабилизаторы веса полностью не решают вопросов автоматизации, но зато позволяют облегчить труд бурильщика.

Рис. 8.21. Схема работы забойного механизма подачи:

а - в заряженном состоянии; б - с полностью вышедшим штоком; в вновь заряжен

Забойные устройства для подачи долота. Проблема автоматизации глубокого бурения может быть разрешена также переносом регули­рующего и исполнительных механизмов на забой. Над созданием забойных УПД усиленно работают у нас и за рубежом. Забойные УПД должны обеспечить регулирование параметров режима бурения и сде­лать его мало зависящим от сил трения, что особенно важно при проходке глубоких и искривленных скважин. Простейшим регулятором такого типа является забойный механизм подачи (ЗМП), который представляет собой гидравлический поршневой механизм (рис. 8.21).

Во время рейса с ЗМП осевая нагрузка остается постоянной. Если нагрузку необходимо изменить, нужно либо изменить длину УБТ, либо применить ЗМП с другим сечением поршня. ЗМП можно использовать при бурении скважины, начиная с глубины 50 м, т. е. с момента, когда в скважину под ротор можно спустить турбобур с долотом и навер­нутым сверху ЗМП. Это особенно важно при бурении крепких пород и с самого начала необходимо создавать большие осевые нагрузки.

Выводы

Под режимом бурения понимается определенное сочетание осевой нагрузки (давление) на долото, частоты вращения долота, количества и качества прокачиваемого бурового раствора. Сочетание этих пара­метров, позволяющее получить наиболее высокие качественные и коли­чественные показатели бурения, называется рациональным (или опти­мальным) режимом бурения. Режимы, применяемые при бурении с отбо­ром керна, бурении в неблагоприятных геологических условиях и т.п., называются специальными.

Механическая скорость проходки зависит от величины дифферен­циального давления. Давление столба бурового раствора (гидростати­ческое давление) прямо пропорционально его плотности.

С увеличением скорости истечения бурового раствора из долотных насадок улучшается очистка забоя скважины и, как следствие, возрастает механическая скорость бурения.

С увеличением частоты вращения долота механическая скорость растет до критической (максимальной) величины, а затем снижается. Каждому классу пород соответствуют свои критические частоты вра­щения долота.

Изменение осевой нагрузки на долото приводит к изменению пока­зателей его работы.

В роторном бурении параметры режима бурения не зависят друг от друга. При бурении гидравлическим забойным двигателем параметры режима бурения взаимосвязаны между собой, изменение одного из них приводит к изменению остальных. Основными способами бурения в на­шей стране считаются гидравлический забойными двигателями и ротор­ный, а в США-роторный способ.

При бурении роторным способом оптимальный режим бурения включает в себя сочетание наивыгоднейших значений каждого из пара­метров режима бурения. При роторном бурении могут возникать значительные вибрации бурильной колонны. В связи с этим следует рассчитывать критическую частоту вращения бурильной колонны.

Бурение турбобурами - наиболее распространенный вид бурения в на­шей стране. Турбобур - забойный гидравлический двигатель, в рабочих колесах которого гидравлическая энергия бурового раствора, движу­щегося под давлением, превращается в механическую энергию вра­щающегося вала, связанного с долотом. Для каждого типа турбобура строится рабочая характеристика по которой подбирается режим его работы при данной подаче буровых насосов.

Различные условия, в которых работают турбобуры, привели к необ­ходимости создания конструктивных разновидностей турбобуров. Од­ним из главных недостатков турбобуров считается их быстроходность. Это ограничивает возможность их использования в сочетании с доло­тами для низкооборотного бурения (до 200 об/мин). Редукторный тур­бобур лишен этого недостатка.

Широкое распространение получило бурение винтовыми (объемными) забойными двигателями. Винтовые двигатели обладают большей моментностью и удельной мощностью, чем турбобуры. Главными особенностями характеристики винтового двигателя считаются про­порциональность частоты вращения расходу бурового раствора, а также линейная зависимость перепада давления на двигателе от момента на долоте.

Электробур-буровая забойная машина, приводимая в действие электрической энергией и сообщающая вращательное движение породоразрушающему инструменту. Частота вращения и мощность электро­бура не зависят от количества и свойств бурового раствора. Наиболее рациональные области применения электробуров следующие: бурение глубоких скважин с применением утяжеленных буровых растворов, бурение наклонно направленных скважин, бурение разветвленно-горизонгальных скважин, бурение скважин с применением газообразных агентов и бурение опорно-технологических скважин.

Разрабатывать рациональные (оптимальные) параметры режима бу­рения лучше всего на основании проводки опорно-технологических скважин. По результатам обработки данных бурения опорно-техноло­гических скважин составляют режимно-технологическую карту для буре­ния на данной площади. Проект на строительство скважины и режимно-технологическая карта составляют основу для управления процессом бурения. Для определения рационального режима промывки скважины составляют гидравлическую программу бурения скважины. Иногда для определения параметров режима бурения пользуются эмпирическими зависимостями.

Текущий контроль за параметрами режимов бурения осуществляют контрольно-измерительными приборами индикатор веса, манометр и тахометр. Разработаны и применяются устройства, позволяющие оптимизировать отдельные параметры режима бурения, а также комп­лексные системы управления процессом бурения (углубления) скважин на основе средств автоматики, телемеханики и ЭВМ.

Существуют понятия подача инструмента и подача долота. Под первым понимают вертикальное перемещение инструмента на поверх­ности, под вторым глубину внедрения долота в породу, происходящего под влиянием подачи инструмента. Для автоматизации и механизации буровых работ используют различные устройства для подачи долота (УПД).