3. Проектирование режимов бурения

Под режимом бурения понимается совокупность параметров процесса, которые могут быть изменены непосредственно во время бурения. К их числу относятся:

• осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент;

• частота вращения инструмента (при роторном способе бурения);

• расход и качество бурового раствора.

1. Расчет осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент

При расчете осевой нагрузки на долото используют следующие методы:

1. Статистический анализ отработки долот в аналогичных геолого-технических условиях.

2. Аналитический расчет на основе качественных показателей механический свойств горной породы и характеристик шарошечных долот, применения базовых зависимостей долговечности долота и механической скорости бурения от основных параметров бурения.

3. Расчет из условия допустимой нагрузки на долото.

Наиболее правильной считается последовательность, когда используются аналитический и статистический методы расчета осевой нагрузки. После расчетов большее из полученных значений сравнивается с допустимой нагрузкой по паспорту долота. Если расчетная нагрузка больше паспортного значения, то принимается последнее. При обратной ситуации – принимается расчетная величина.

Аналитический расчет осевой нагрузки G₁ для шарошечных долот, при которой обеспечивается объемное разрушение породы, ведется по формуле:

, (3)

где α – коэффициент забойных условий, α = 0,33 – 0,59, в проектировочных условиях α =1;

P_ш – средневзвешенная твердость горных пород по штампу для данной пачки пород по буримости, кг/см² ;

F – опорная площадь рабочей поверхности долота, см² .

Для новых шарошечных долот

, (4)

где D_д – диаметр долота, см;

η – коэффициент перекрытия – отношение длины образующей шарошки к суммарной длине зубьев, контактирующих с породой, для современных долот η = 0,7– 1,7, в расчетах можно принять η = 1;

δ – начальное притупление зубьев, см, δ = 1– 4 мм, в расчетах принимается среднее значение δ = 1,5 мм.

Для долот PDC

F=0,03D_сk_Т (5)

где k_т – число зубцов на рабочей поверхности;

D_c – средний диаметр зубцов, мм.

В процессе бурения происходит износ зубьев долота, и опорная площадь увеличивается. Как показывают эксперименты, это увеличение составляет от пяти до восьми раз. В связи с этим в процессе бурения осевая нагрузка для обеспечения объемного разрушения породы должна постепенно повышаться.

При статистическом расчете осевой нагрузки G₂ используется формула

, (6)

где q – удельная нагрузка на один миллиметр диаметра долота, кН/мм;

D_д – в мм.

Значения удельных осевых нагрузок для шарошечных долот приведены в таблице 6.

Таблица 4

Удельные осевые нагрузки для шарошечных долот

Тип долота	М	МЗ	МС	МСЗ, СЗ	С, СТ	Т, ТК	ТЗ, ТКЗ	К, ОК
Удельная нагрузка, кН/мм	0,1 -0,2	0,2-0,5	0,3-0,6	0,3-0,8	0,4-1	0,6-1,5	0,5-1	1-1,5

Меньшие удельные нагрузки берутся для трещиноватых неоднородных пород и при высоких частотах вращения.

Для PDC, алмазных и ИСМ долот удельные осевые нагрузки принимаются в пределах от 50 до 400 кг/см. Большие значения берутся в более твердых породах.

Допустимая в процессе бурения осевая нагрузка на долото G₃ не должна превышать 80% от предельной G_пред , указанной в технической характеристике (паспорте) долота, то есть:

G₃ = 0,8 G_пред, (7)

В Приложении 4 приводится пример оформления результатов проектирования осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент по интервалам бурения.