Часть 6
Осевая нагрузка
Осевая нагрузка – это параметр режима бурения, который определяет усилие, создаваемое на контакте «вооружение долота – горная порода». Исходя из этого обеспечивается определенная глубина внедрения вооружения в массив горной породы.Логично, что определяющими факторами при определении эффективной осевой нагрузки являются:
- тип горной породы, а точнее ее прочностные свойства (твердость – способность сопротивляться внедрению инородного тела в массив горной породы);
- площадь контакта вооружения и горной породы – здесь срабатывает закон физики характеризующий давление. Давление это отношение приложенной силы (осевой нагрузки) в площади. Чем меньше площадь контакта, тем больше давление и более вероятно достижение предела прочности горной породы (который, кстати, измеряется в Па, также как и давление).
Принято считать, что нагрузка на забой создается за счет веса КНБК, а не всей бурильной колонны. Это обусловлено физикой работы инструмента в скважине. Протяженная бурильная колонная ведет себя не как жесткий стержень, а как гибкая струна, что исключает возможность передачи сколько угодно большого веса на породоразрушающий инсторумент.
Таким образом, требуется комплектовать низ бурильной колонны достаточно жесткими (а, соответственно, тяжелыми) элементами – такие, как утяжеленные бурильные трубы и толстостенные бурильные трубы. Согласно общим рекомендациям, вес УБТ должен составлять 80% от ожидаемой нагрузки на долото. Остальные 20%, принято считать, что будут создаваться оставшимися элементами КНБК и, частично, весом вышележащей бурильной колонны (но на нее ключевую ставку никто не делает). С этой рекомендацией необходимо учитывать несколько нюансов:
- Это закономерно для скважин с углом наклона (зенитный угол) менее 60 градусов – при больших значениях угла – утяжеленные трубы «ложатся» на стенку скважины и совокупное действие сил трения и гравитации приводит к снижению эффективности доведения нагрузки;
- При очень протяженной длине колонны УБТ (особенно при малом диаметре относительно диаметра долота) имеется риск потери устойчивости (жесткости) ею под действием собственного веса, что вызовет синусоидальный или спиральный изгиб инструмента;
- Важно, чтобы выбранная колонна УБТ или ТБТ не создавала слишком высоких гидравлических сопротивлений – если рассматривать исключительно трубный канал – это будет определять возможность насоса прокачивать раствор через такую компоновку инструмента. Если давать оценку гидравлическим сопротивлениям в кольцевом пространстве, то здесь помимо нагрузки на насос необходимо оценивать еще изменение ЭЦП, которое может привести к поглощениям бурового раствора в интервалах слабых пластов.
Создание осевой нагрузки на забой осуществляется двумя основными способами:
- в ручную – когда бурильщик растормаживает лебедку и осуществляет контроль нагрузки на долото по датчику веса на крюке. Важно понимать, что данный подход актуален для наклонно-направленных скважин с зенитными углами до 60-70 градусов, а при больших значениях наклона за счет увеличения сил трения о стенки скважины данный показатель становится нерепрезентативным. Для сильноискривленных, субгоризонтальных и горизонтальных скважин актуально использовать оценку осевой нагрузки по перепаду давления на долоте (изменению давления на стояке).
- с помощью регулятора нагрузки (подачи) на долото – это система, которая позволяет автоматически поддерживать заданную осевую нагрузку (аналог круиз контроля автомобиля) на инструмент за счет считывания показателей контрольно-измерительных приборов и корректировки согласно изменениям на них тормоза лебедки (например, вес на крюке начинает увеличиваться, система это считывает и ослабляет тормоз лебедки до восстановления ранее установленного веса).
Важно понимать, что для эффективного доведения нагрузки (особенно при наклонно-направленном и горизонтальном бурении) необходимо бороться с силами трения и подвисаниями инструмента. Здесь наиболее эффективными методами (если не учитывать управление свойствами бурового раствора и увеличение его смазочной способности) являются придание вращения инструменту, а также использование осцилляторов.