Физика разрушения горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин

Лишь при реализации совершенной очисткизабоя породоразру-шающие элементы вооружения взаимодействуют не со шламом, рас-положенным на забое, а с неразрушенной горной породой забоя скважины. К реализации совершенной очистки необходимо стремиться. Для этого необходимо совершенствовать и породоразрушающий инст-румент, и промывку забоя скважины.

В реальных условиях бурения почти невозможно избежа

ть переизмельчения уже разрушенной, но не отделенной от поверхности забоя породы.

Переизмельчение горной породы в этом случае происходит в присутствии промывочной жидкости (бурового раствора). На раз-рушение шлама (дробление шлама) тратится дополнительная энергия. При дроблении частиц шлама под действием инструмента твердые частицы шлама сначала претерпевают объёмное деформирование (упругое, пластическое) и только после этого происходит разрушение.

Работу, необходимую для дробления шлама, можно разделить на две части: одна часть расходуется на деформирование твердой частицы, а другая – на образование новых поверхностей при разрушении частицы шлама. Работа упругого и пластического деформирования частицы шлама пропорциональна её объёму:

Wдеф = k1V,

где k1 – коэффициент пропорциональности, равный работе объёмного деформирования единицы объёма частицы шлама, V – объём частицы.

Работа образования новой поверхности при дроблении минерала пропорциональна приращению свежей поверхности:

Wп = гэфф·Дs,

где Дs – прирост свежей поверхности.

Полную работу, затрачиваемую на дробление, можно выразить уравнением Ребиндера П.А.:

W = Wдеф + Wп = kV + гэффs.

Так как объёмное деформирование пропорционально объёму нагружаемого тела V, который пропорционален кубу своего линейного размера, т.е. l3, а изменение поверхности тела пропорционально квадрату линейного размера тела, т.е. l2, то выражение для полной работы дробления можно записать

W = k1l3 + k2l2о = l2(k1l + k2 гэфф),

где k2 – коэффициент пропорциональности.

Из последнего выражения следует, что при больших размерах тела, т.е. при больших значениях l, можно пренебречь величиной работы образования поверхности. В этом случае W » k1l3, т.е. полная работа диспергирования определяется работой упругого и пластического деформирования образца.

При k1 =сж2/2E из последнего выражения получаем закон дробления Кирпичева–Кика.

При малом линейном размере разрушаемого тела полная работа диспергирования определяется работой, затраченной на образование свежей поверхности:

W » k2l2 гэфф,

так как в этом случае можно пренебречь работой объёмного дефор-мирования диспергируемого тела.

При измельчении частиц шлама на забое при реализации несовершенной очистки забоя частицы шлама разрушаются, в первую очередь, в местах прочностных дефектов (макро- и микротрещины). По этой причине по мере измельчения прочность частиц породы, остающихся на забое, растет (масштабный фактор). Под масштабным фактором понимают изменение прочности образца твердого тела при изменении его размера: чем больше объем образца, тем меньше его прочность. Такое изменение прочности обычно связывают с вероятностью нахождения опасного (т.е. большого по величине) дефекта в теле: чем больше объем образца, тем больше вероятность нахождения в нем опасного дефекта.

Упрочнение горной породы, связанное с масштабным фактором, наблюдается при плохой промывке забоя скважины. Уменьшение размера частиц шлама при переизмельчении горной породы cпособствует росту прочности частиц шлама (масштабное упрочнение). Руководствуясь этим, можно заключить, что энергоёмкость процесса дробления шлама на забое будет зависеть от степени измельчения породы. Увеличение дисперсности шлама на забое скважины при плохо организованной промывке приводит к большому расходу энергии при их дальнейшем дроблении.

По размеру частиц шлама, возникающих в процессе бурения скважины, можно судить, в определенной степени, об эффективности бурения скважины. Преобладание мелкой фракции в продуктах разрушения свидетельствует о плохой промывке забоя и низкой эффективности разрушения горных пород на забое.

Эксперименты и имеющийся опыт бурения показывают, что лучшая очистка забоя и вынос шлама из скважины происходит при следующих значениях сомножителей, определяющих величину удельной гидравли-ческой мощности:

• удельный расход

Q/S = (0,35 – 0,7) м3/с·м2;

• величина скоростибуровогораствора при истечении из насадковV= (80 – 120) м/с;

• число Рейнольдса в насадках долота должно быть не меньше 105. Другими словами, режим течения бурового раствора под долотом должен быть турбулентным. В этом случае обеспечиваются наиболее благоприятные условия для удаления шлама с забоя и выноса его в кольцевое пространство. Создаются радиальные потоки раствора, увеличива-ющие величину сил, удаляющих шлам с забоя;

• перепад давления на насадках долота должен составлять не менее (50 – 60) % от давления, развиваемого буровым насосом при циркуляции;

• потери давления в кольцевом пространстве скважины должны быть минимальными. Это означает, что режим течения в кольцевом пространстве должен быть ламинарным.

8. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА БУРЕНИЯ И ЗАБОЙНЫХ УСЛОВИЙ НА РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД

8.1 Параметры режима бурения и показатели работы долот

Режим работы долот первой и третьей подгрупп характеризуется следующими параметрами:

F – осевая нагрузка, dim F = Н,

n – частота вращения долота, dim n = об/мин.,

Q – интенсивность промывки забоя, dim Q = м3/ с.

П – параметры бурового раствора (плотность, вязкость, концент-рация твердой фазы, показатель фильтрации).

Осевая нагрузка создается, в основном, весом утяжеленных бурильных труб и забойного двигателя. Для успешного разрушения горных пород при бурении скважин величина осевого усилия составляет 100 – 250 кН. При роторном бурении осевое усилие создается большим, чем при турбинном бурении и связано это с тем, что при большом осевом усилии затруднено, а то и вовсе невозможно, вращение вала турбобура циркулирующим буровым раствором.

При роторном бурении частота вращения долота меняется в диапазоне (20 ¸ 280) об/мин, при бурении забойными двигателями – (300 ¸ 700) об/мин.; наибольшая же частота вращения достигается при бурении скважин алмазными долотами (от 400 об/мин и выше).

Подача буровых насосов составляет несколько десятков литров в секунду.

Изменение каждого параметра режима бурения влияет на эффективность разрушения горных пород на забое скважины, причем влияние каждого из параметров на разрушение горных пород при бурении зависит от заданных значений других параметров.

Соотношения между параметрами режима бурения подбирают та-ким образом, чтобы обеспечить решение поставленной перед бурением скважины задачи: достижение минимальных сроков строительства скважины, снижение себестоимости сооружения скважины.

 Скачать реферат