Физика разрушения горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин

Отмеченное двоякое влияние производительности циркуляции промывочной жидкости на скорость бурения отражено формулой, предложенной В.С. Федоровым:

Vм = Q /(a + bQ),

где a, b – параметры, зависящие от свойств разбуриваемых горных пород, промывочной жидкости, размеров кольцевого канала (рис. 40).

Рис. 40. За

висимость механической скорости проходки от расхода промывочной жидкости

Для улучшения очистки забоя скважины следует стремиться не к бесконечному увеличению производительности циркуляции, а добиваться этого использованием насадков уменьшенных диаметров, приближенных к забою, созданием радиальных турбулентных потоков промывочной жидкости вдоль поверхности забоя, обеспечивающих отрыв частиц шлама от забоя, введением в промывочную жидкость смазывающих добавок, снижающих величину сил, удерживающих частицы шлама на забое и пр.

Согласно исследованиям отечественных ученых, удельный расход промывочной жидкости, подаваемой на забой скважины, для шарошечных и лопастных долот должен составлять (0,057 ч 0,065) л/(с·см2), и для алмазных – (0,06 ч 0,1) л/(с·см2).

Особо подчеркнем, что увеличение механической скорости бурения применением гидромониторных насадков обеспечивается не дополнительным разрушением горной породы забоя высоконапорными затопленными струями промывочной жидкости, а улучшением очистки забоя от шлама при использовании гидромониторных насадков. Для успешного механогидравлического воздействия на горную породу забоя скважины и разрушения горной породы струей жидкости, вытекающей из насадков, необходимо значительно увеличить скорость истечения затопленной струи из насадков (довести скорость истечения струи до нескольких сотен метров в секунду), воздействовать струей на ту часть площади забоя, на которую воздействует зуб долота.

При бурении мягких горных пород повышение расхода промывочной жидкости приводит к размыву стенки скважины, что может обеспечить рост интенсивности искривления скважины. Введение в промывочную жидкость смазывающих добавок снижает трение инструмента о горную породу стенки скважины, что способствует меньшему ее разрушению и обеспечивает меньшее искривление скважины.

Завершая разговор о влиянии расхода промывочной жидкости на величину механической скорости, отметим, что практика бурения скважин с высокими механическими скоростями (свыше 10 – 15 м/ч) в Западной Сибири обнаружила влияние “утяжеления” восходящего потока промывочной жидкости с увеличением концентрации шлама в ней на величину механической скорости. Это позволяет ставить задачу оптимизации расхода промывочной жидкости с целью минимизации гидродинамического давления на забой скважины.

Измерение расхода промывочной жидкости осуществляется индукционными расходомерами РГР-7, РГР-100, принцип действия которых основан на явлении электромагнитной индукции и обеспечивает контроль расхода только электропроводящей промывочной жидкости.

8.3 Взаимосвязь параметров режима бурения и технико-экономических показателей

При роторном способе бурения при фиксированной частоте вращения долота n= const, но при росте величины осевого усилия F наблюдается

• увеличение механической скорости;

• резкое снижение долговечности долота;

• рост проходки на долото, но при достижении осевым усилием величины Fкр происходит снижение проходки на долото: имеется оптимальное значение осевой нагрузки, при которой проходка на долото достигает наибольшей величины (рис. 41).

Рис. 41. Закономерности изменения показателей бурения при n = const при роторном способе бурения

При фиксированном значении осевого усилия F= const, но возрастающей частоте вращения n

• происходит резкое снижение долговечности долота;

• изменение механической скорости бурения происходит аналогично тому, как указано на рис. 42;

• существует значение nкр, при котором реализуется наибольшая проходка на долото: имеется оптимальное значение частоты вращения, при которой проходка на долото достигает наибольшей величины (рис. 42).

При турбинном бурении с ростом осевой нагрузки

• происходит снижение частоты вращения долота,

Рис. 42. Закономерности изменения показателей бурения при F= const при роторном способе бурения

• механическая скорость бурения и проходка на долото возрастают до своих максимальных значений:

М = Мьфч при А = А1ж

h = hmax при F = F2, F1 < F2,

но с последующим ростом Fони уменьшаются. Оптимальный режим бурения, обеспечивающий меньшие сроки бурения скважины, будет достигнут при осевой нагрузке F, удовлетворяющей условию

F1 < F < F2.

Анализ взаимосвязи параметров режима бурения с его технико-экономическими показателями позволяет сделать следующие выводы.

При роторном бурении параметры режима бурения F, n, Q при регулировании не зависят друг от друга, т.е. при бурении их можно изменять независимо. Это является большим преимуществом роторного способа бурения. Но нужно понимать и наличие связи между параметрами режима бурения: увеличение осевого усилия F , например, способствуя повышению эффективности разрушения горной породы, требует роста и расхода Q (к изменению Q в зависимости от роста n это относится, по понятной причине, в меньшей степени). На практике из трех основных режимных параметров основное внимание при роторном способе бурения уделяется двум – Fи Q.

В целях увеличения долговечности долота при возрастании осевой нагрузки рекомендуется снижать частоту вращения долота и наоборот, это означает, что параметром режима бурения может служить произведение двух режимных параметров n·F.

При бурении слабо сцементированных, малоабразивных горных пород целесообразно применять большие частоты вращения, но пониженные осевые нагрузки; если же разбуривается скальная горная порода, то верхнему уровню осевых нагрузок на долото должен соответствовать нижний уровень частот вращения.

При разбуривании абразивных, трещиноватых горных пород целесообразно снижать частоту вращения ротора во избежание повышенного износа и разрушения вооружения долота, герметизирующих элементов опор шарошек и пр.

При использовании долот второгокласса (долота с твердосплавным вооружением) и герметизированными опорами режим бурения должен выбираться таким, чтобы не допускались вибрация бурильной колонны, неравномерное вращение и подача долота, резкие торможения и остановки: это приводит к разрушению твердосплавных зубков и прежде-временному выходу из строя герметизирующих элементов и опор в целом.

Для подавления возникающих при бурении скважины вибраций необходимо уменьшать осевую нагрузку или изменять частоту вращения ротора.

 Скачать реферат