Физика разрушения горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин

К основным технико-экономическим показателям работы долот относятся следующие:

▪ проходка на долото L – длина ствола скважины в массиве горных пород, пробуренного данным долотом. Этот показатель позволяет судить об объёме полезной работы, выполненной данным долотом при бурении. Для шарошечного и лопастного долот этот показатель совпадает с проходкой за рейс, т.к.

эти долота выходят из строя в течение первого же рейса. Показателем конечной стадии отработки долота является резкое снижение механической скорости бурения от начальной величины при износе вооружения долота или резкое повышение крутящего момента при износе опоры;

▪ долговечность долота tд представляет собой время бурения скважины данным долотом до его полного износа. Эту величину не следует путать с временем бурения tб ствола скважины длиной l < L , которое всегда меньше величины tд. И лишь в том случае, когда бурение происходит одним долотом до его полного износа, обе величины совпадают.

▪ механическая скорость бурения

Vм = L / tб

характеризует буримость горной породы данным инструментом при данных значениях параметров режима бурения. С ростом глубины скважины высокая механическая скорость менее выгодна, чем увели-чение проходки за рейс. Объясняется это увеличением длительности спускоподъёмных работ при росте глубины скважин;

▪ рейсовая скорость бурения

Vр = L / ( tд + tсп) =

где tсп – длительность спуско-подъёмных операций с учетом времени наращивания колонны и смены долота. Величина Vр прямо пропорциональна механической скорости, но зависит (и это главное) от отношения tсп / tб . Такая зависимость определяет немонотонное изменение рейсовой скорости;

▪ техническая, коммерческая, полная скорости бурения определяются по формулам, аналогичным формуле, определяющей величину и изменение рейсовой скорости: в первом случае дополнительно к величинам tб , tсп учитывается длительность вспомогательных производительных работ tв , во втором – величина tв и продолжительность непроизводительных работ (ликвидация аварий, остановки и т.п.) tн, в третьем – tв, tн и продолжительность строительства вышки и монтажных работ tм ;

▪ удельные эксплуатационные затраты на обеспечение 1 м проходки (себестоимость одного метра пробуренной скважины),определяемые по формуле

С = [Св ·( tд + tсп + tв) + Cд ] / L,

где Св – стоимость 1 часа работы буровой установки, Cд – стоимость долота.

Стоимость одного метра проходки определяется пятью переменными. На величину С значительно влияет стоимость одного часа работы буровой установки Св: для пробуренного интервала на одной площади при бурении различными буровыми установками одним и тем же долотом получают различную стоимость проходки при одинаковом времени чистого бурения.

Увеличение проходки на долото Lприводит к резкому сокращению числа спускоподъемных операций и снижает удельные эксплуатационные затраты на 1 м проходки.

Об эффективности бурения чаще всего судят по рейсовой скорости проходки скважины и стоимости 1 м проходки.

Cогласно исследованиям В.С. Федорова, механическая скорость в процессе бурения изменяется по экспоненциальному закону

,

где Vo – начальное значение механической скорости, k – коэффициент, величина которого зависит от износа вооружения долота.

Связь между проходкой на долото hд и его долговечностью tб устанавливается формулой

.

Выражение для рейсовой скорости Vр через полученное выражение для проходки на долото примет вид

,

Из формулы следует, что величина рейсовой скорости зависит от четырех параметров: tб, tсп, k, Vo.

Графики изменения величин Vм, Vр, С приведены на рис. 36. Если механическая скорость бурения постоянно снижается с увеличением продолжительности бурения, то изменение рейсовой скорости и удельных затрат отличает более сложное поведение.

Плавное снижение механической скорости бурения при росте времени бурения вызывается непрерывным износом зубцов шарошки. Возникновение резкого спада величины механической скорости бурения шарошечным долотом по сравнению с ее начальной величиной свидетельствует о катастрофическом износе вооружения.

Кривая Vр = Vр (tб) имеет асимметричный характер: восходящая ветвь кривой имеет более крутое возрастание, чем нисходящая ветвь (рис.36). Рейсовая скорость возрастает до своего максимального значения Vрmax, а затем снижается. Время достижения максимального значения рейсовой скорости определяет оптимальное время бурения tбоптданным долотом.

Величина удельных эксплуатационных затрат С с ростом времени бурения вначале снижается, но при достижении значения tэначинает возрастать. Экономически выгодная продолжительность бурения tэуказывает на момент подъема долота из скважины. Обычно выполняется неравенство tэ > tбопт.

Если перед началом бурения ставится задача обеспечения минимальных сроков строительства скважины (бурение скважины по задан-ной траектории до проектной глубины), то оптимальной стратегией бурения будет та, которая обеспечивает замену породоразрушающего инструмента при достижении максимальной величины рейсовой скорости.

Если же преследуется задача минимизации затрат на строительство скважины, то замену инструмента необходимо проводить по достижении времени бурения величины tэ. Критерий C= Cminболее обобщающий, чем критерий tб = (tб)min, так как он учитывает больше факторов.

Большие значения механической скорости бурения не могут быть решающим фактором для оценки производительности труда буровой бригады, т.к. это может быть достигнуто при таких значениях осевого усилия и частоты вращения, при которых происходит не только значительный износ инструмента, требующий замену долота, но и возникает аварийная ситуация, связанная с поломкой долота.

Перечисленные показатели работы долот только в том случае объективно характеризуют работу инструмента, когда они привязаны к конкретным условиям его работы: указаны показатели режима бурения (управляемые параметры) и свойства горных пород, геолого-структурные особенности разбуриваемого массива (неуправляемые параметры). Важно правильно выбрать значение управляемых параметров при изменении неуправляемых, т.е. определить тип инструмента и показатели режима бурения при известных значениях показателей свойств горных пород. Значения режимных параметров, обеспечивающие лучшие показатели работы долота при использовании имеющегося бурового оборудования, определяют оптимальный (рациональный) режим бурения.

 Скачать реферат