Частота вращения при роторном бурении

По частоте вращения долота n различают три режима работы: низкооборотный (роторное бурение) n≤90 мин-1; при средних частотах вращения 90<n≤250 мин 1 и высокооборотный n>450 мин-1.

Рекомендуемые значения частоты вращения долота при роторном бурение с промывкой приведены в табл. 16.9.

Таблица 16.9

Глубина скважины Н, м	Частота вращения долота n, мин-1 для пород
	устойчивых	неустойчивых
<500	120-180	90-120
500-1500	90-120	60-90
1500-2500	60-120	40-60
2500-4000	40-90	40-60
>4000	40-90	40

При бурении с продувкой трехшарошечными долотами пород средней твердости, твердых и крепких п не должна превышать 100-200 мин-1, а при бурении сыпучих и мягких пород - 200-300 мин-1 (при соблюдении других параметров режима бурения).

С ростом глубины скважины (в связи с повышением давления всестороннего сжатия) больше проявляется пластичность пород, требуются большие деформации до разрушения и большая длительность контакта зубьев долота с забоем. Это обусловливает необходимость снижения частоты вращения с ростом глубины. Другая причина снижения частоты вращения долота заключается в том, что мощность N, необходимая для привода ротора, с увеличением n и H повышается вследствие быстрого роста потерь на трение бурильной колонны о стенки скважины.

Роторное бурение с низкими значениями n (20-80 мин-1) и большими крутящими моментами (150-500 кН·м) обеспечивает возможность эффективного разрушения почти всех видов горных пород осадочной толщи при использовании различных, в том числе требующих больших удельных моментов, лопастных алмазных долот с большим скольжением.

Текущее значение частоты вращения стола ротора (мин-1)

                 (16.45)

где Р_уд(maх) - максимальная рекомендуемая нагрузка на 1 мм диаметра долота (см. табл. 16.6); P_yд(i) - текущее значение Р_уд для конкретного типа долота; n_min - минимальная частота вращения ротора, которая берется по характеристике его для конкретной буровой установки, мин-1.

По полученному значению n_i принимается ближайшее значение n ротора, исходя из его характеристики.

Увеличение n способствует повышению v_м в меньшей мере и ведет к уменьшению h_д. При этом возникают трудности с передачей M_кр бурильной колонной с поверхности до забоя скважины. Некоторое увеличение n против рекомендуемых значений оправдывает себя только в случае хорошей стабилизации бурильной колонны с помощью стабилизаторов и поглощения вибраций наддолотными амортизаторами.

Влияние вибраций особенно велико при разбуривании твердых и крепких горных пород шарошечными долотами и бурильными головками. Наиболее интенсивная вибрация возникает в сильно трещиноватых породах, а также в породах резко перемежающейся твердости. Чем сильнее вибрирует долото, тем в более тяжелом режиме приходится работать бурильной колонне и наземному оборудованию. Значительная вибрация бурильной колонны не позволяет выдерживать оптимальный режим бурения. В этих условиях единственно правильным решением является снижение n и Р_д. Это позволяет выйти из критической зоны и уменьшить вибрацию до допустимых пределов, однако ведет к снижению производительности долот и увеличению стоимости 1м бурения. Восстановить оптимальное сочетание Р_д и n, избежать недопустимо сильной вибрации в бурильной колонне можно достигнуть с помощью наддолотного амортизатора.

Критическая частота вращения трехшарошечного долота может быть рассчитана из выражения

n_кp=60ƒ/3=20ƒ,             (16.46)

где ƒ - частота колебаний долота по данным многочисленных наблюдений составляет три цикла за каждый оборот, с-1.

Собственная частота продольных колебаний УБТ (в с-1) определяется из выражения

ƒ₁=1284/l_у             (16.47)

где l_у - длина УБТ, м.

Собственная частота вращения УБТ (в с-1)

ƒ₂=811/l_у.            (16.48)

Долото должно вращаться с частотой меньшей или большей ƒ₁ и ƒ₂.

Рекомендуемые режимы эксплуатации трехшарошечных долот при различных способах бурения приведены в табл. 16.10. Верхнему уровню Р_уд соответствует нижний уровень n и наоборот. В пластичных вязких глинистых породах, а также слабосцементированных малоабразивных породах целесообразно выбирать значения n, близкие к максимальным, и пониженные значения Р_уд. В карбонатных породах целесообразно выбирать повышенные Р_уд и уменьшенные n. В песчаных и других абразивных, а также трещиноватых и обломочных породах целесообразно снижать n ротора во избежание повышенного износа, разрушения вооружения герметизированных элементов опор шарошек. По мере изнашивания опор при бурении твердых пород значение М_кр возрастает, что позволяет более обоснованно изменять режим бурения, отрабатывать и менять долото.

Таблица 16.10

Серия долота	n, мин-1	Руд, кН/мм	Способ бурения
ГАУ	35-70	0,6-0,8	Роторный
ГНУ	40-250	0,6-1,0	Роторный, ГЗД, электробурами с редукторными вставками
ГН	60-450	0,6-1,0	Роторный, ГЗД, электробурами
ГВ, ЦВ	60-450	0,7-1,2	Турбинный

При роторном бурении Р_д и n зависят не только от механических свойств горных пород, прочности и долговечности самого долота, но и от прочности и жесткости бурильной колонны. С увеличением Р_д возрастают напряжения сжатия в нижней части бурильной колонны и изгиба, а с повышением n - напряжения изгиба и частота продольных, а также крутильных колебаний, что может ускорить разрушение бурильных труб и особенно резьбовых соединений.

Частота вращения n оказывает существенное влияние на качественный отбор керна. Поэтому в зависимости от условий бурения рекомендуются следующие значения n:

Бурильные головки	Шарошечные	Алмазные и ИСМ	Лопастные
Частота вращения n, мин-1	48-50	40-170	70-110