Особенности взаимодействия лопастного долота с забоем

Под действием силы P_z (рис. 4.2, а) режущая кромка лопасти вдавливается в горную породу и далее, вращаясь вместе с корпусом долота вокруг его оси, срезает-скалывает слой породы толщиной d. При этом каждая точка лопасти совершает винтовое движение с шагом md:

md = Н_о, (4.1)

где m - число лопастей, Н_о - проходка за один оборот долота.

Скорость винтового движения любой точки, удаленной от оси долота на расстояние R, описывается формулой

v_R = , (4.2)

где n_д - частота вращения долота.

Из формулы (4.2) следует, что на оси долота (R = 0) имеет место только вдавливание вооружения лопасти. Сопротивление горных пород вдавливанию существенно больше, чем скалыванию, а поэтому долото как бы зависает на центральной части забоя. По мере удаления от оси прямо пропорционально радиусу растет окружная скорость точек лопасти, обеспечивающая скалывающий эффект. Для исключения зависания долота на центральной части забоя режущие кромки лопастей смещены относительно радиуса долота в направлении вращения (рис. 4.1) и не поражают центральную часть забоя. В центре забоя остается столбик не разрушенной породы, который ломается при поперечных колебаниях долота или раздавливается его корпусом.

В процессе бурения лопастными долотами наблюдаются крутильные и поперечные колебания инструмента, условиями для возникновения и поддержания которых являются значительная потенциальная энергия U упругого деформирования бурильного инструмента (колонны) под действием крутящего момента М на долоте. Возбудителями колебаний являются неравномерные подача инструмента и скалывание горной породы лопастями.

Механизм крутильных колебаний. Неравномерная подача инструмента приводит к изменению толщины скалываемого слоя породы. Увеличение толщины слоя сопровождается увеличением сопротивления вращению долота и закручиванием бурильной колонны. Уменьшение толщины слоя сопровождается снижением сопротивления вращению долота и раскручиванием бурильной колонны. При бурении пластично-хрупких пород разрушение перед лопастью происходит неравномерно, так как такие породы разрушаются скачкообразно. Под действием крутящего момента в горной породе перед лопастью достигается предельное состояние и происходит хрупкий скол породы. При этом толщина скалываемого слоя уменьшается до величины, близкой к нулю, и соответственно резко изменяется момент сопротивления вращению долота. Долото начинает вращаться с ускорением за счет освобождающейся потенциальной энергии U. Однако по мере поворота долота толщина скалываемого слоя растет и соответственно увеличивается сопротивление вращению долота. Угловое ускорение долота уменьшается и, наконец, меняет знак, т.е. долото начинает вращаться с замедлением (в пределе угловая скорость вращения долота может уменьшиться до нуля) до момента, пока не произойдет следующий скол горной породы перед лопастями. Далее цикл повторяется.

Таким образом, мгновенная угловая скорость долота колеблется около среднего значения с амплитудой и частотой, которые зависят от жесткости бурильного инструмента и свойств горной породы. В неравномерном вращении участвует бурильный инструмент, имеющий большую массу, что обусловливает возникновение значительных динамических нагрузок на инструменты и крутильных ударов. Если частота вынуждающих колебаний близка к собственной частоте крутильных колебаний инструмента, то могут наблюдаться резонансные явления, опасные как для породоразрушающего, так и для бурильного инструмента.

Механизм поперечных перемещений долота как источник колебанийрассматрим на примере двухлопастного долота, схема движения лопастей которого приведена на рис. 4.2. Долото вращается вокруг оси О с угловой скоростью w_д . В какой-то момент времени перед лопастью А происходит скол породы, а перед лопастью В не происходит. При этом меняется соотношение сил сопротивления движению лопастей, и ось вращения долота перемещается из т. О в точку О₁ (рис. 4.2, а), так как должно соблюдаться условие

Р'_tR' = P''_tR''.

Из схемы видно, что при дальнейшем вращении долота вокруг оси О₁ периферийная часть лопасти, двигаясь по дуге АА', будет врезаться в стенку скважины, а лопасть В отходить от стенки. При этом геометрическая ось долота будет двигаться по дуге OO', т.е. произойдет поперечное перемещение долота.

Врезание лопасти А в стенку увеличивает сопротивление ее движению. Одновременно растет сила воздействия лопасти В на горную породу и, наконец, скалывает ее. Сила сопротивления движению лопасти В резко падает, ось вращения долота перемещается в точку О₂. Далее лопасть В, будет двигаться по дуге B'B'' и врезаться в стенку скважины, а лопасть А соответственно отходить от стенки. При этом ось долота будет двигаться по дуге O'O'', т.е. долото будет совершать поперечное движение в обратном направлении.

Рис.4.2. Схема поперечных перемещений двухлопастного долота

Результатом этого процесса является образование скважины в виде многогранника с числом вершин на одну больше, чем число лопастей долота. При этом долото будет попеременно вращаться вокруг смещенных к стенке скважины осей, а ось долота будет двигаться по траектории О'O''O''' (рис. 4.2,б). Площадь фигуры CDE меньше, чем площадь круга с радиусом, равным радиусу долота R_д. А это значит, что процесс образования многогранной скважины энергетически предпочтительней, чем круглой. Н.Ф. Кагарманов экспериментально показал, что ребра многогранника часто располагаются не вдоль образующей скважины, а представляют собой спирали. Поэтому радиус скважины в свету R_cc может оказаться значительно меньше, чем радиус круга, соответствующего радиусу долота R_д ( рис. 4.2, б), что существенно затрудняет не только спуск в скважины долот других конструкций, но и обсадных колонн.

Чем больше лопастей имеет долото, тем ближе сечение скважины к круглому. Это одна из причин, по которой трехлопастные долота применяются более широко, чем двух лопастные, а долота режуще-скалывающего действия выполняются трех- и шестилопастными.

С целью уменьшения поперечных колебаний долота режущие кромки лопастей выполняют так, чтобы они образовывали не плоский, а выпуклый или вогнутый забой, а над долотом устанавливают калибраторы.