Физика разрушения горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин

При использовании в качестве буровых агентов воздуха или газа нагрузка на долото и частота его вращения должны быть меньшими по сравнению с таковыми при бурении скважин с промывкой забоя водой. Это объясняется низкой очищающей способностью воздушной струи. Недостаточная подъемная способность воздуха должна компенсироваться высокой скоростью движения в кольцевом канале (5 – 8 м/с).

Пр

и турбинном способе буренияосевая нагрузка на долото F, создается так же, как и в роторном бурении, но основным режимным параметром становитсся интенсивность промывки Q(из-за того, что изменение расхода Q неизменно влечет за собой изменение параметров nи F). В самом деле, расход промывочной жидкости Q должен быть достаточен для того, чтобы гидравлический забойный двигатель мог развивать момент Мд, необходимый для вращения долота при заданном значении осевого усилия F. Рост осевого усилия вызывает повышение момента Мд , при этом величина ncнижается (рис. 43).

Рис. 43. Закономерности изменения показателей бурения при турбинном способе бурения

Механическая скорость бурения при фиксированных значениях осевого усилия F и частоты вращения nрастет с увеличением гидравлической мощности на долоте, т.е. с ростом Q и скорости истечения жидкости из насадков долот Vo.

8.4. Влияние забойных условий на разрушение горных пород при бурении

8.4.1 Влияние гидростатического давления

Величина гидростатического давления, действующего на горную породу забоя скважины, для вязкой жидкости определяется выражением

Pг = жgh,

где ж – плотность бурового раствора, g – ускорение свободного падения, h – расстояние по вертикали от дневной поверхности до рассматриваемой точки скважины.

Отрицательное влияние увеличения гидростатического давления на изменение механической скорости бурения проявляется в следующем:

• сдерживает развитие магистральной трещины, рост которой завершает разрушение горной породы при вдавливании индентора;

• удерживает шлам на забое скважины, затрудняя, тем самым, очистку забоя.

С увеличением глубины скважины и с ростом плотности бурового раствора сдерживающая роль гидростатического давления возрастает.

Закон изменения гидростатического давления вязкопластической жидкости несколько иной:

Pг = rжgh ± 2tt h / ro;

Pг = rжgh ± 2tt h / (R – ro),

гдеR – радиус внешней трубы, ro – радиус внутренней трубы.

Записанные уравнения представляют собой закон изменения гидростатического давления вязкопластической жидкости в трубе радиуса ro и кольцевом канале R – ro . Отсюда следует, что при движении вязко-пластической жидкости по трубе, кольцевому пространству возникает дополнительное сопротивление движению жидкости: наряду с составляющей, обусловленной весом столба промывочной жидкости (жgh), возникает пластическая составляющая сопротивления.

Наличие двух знаков в формулах имеет смысл, если перепад давления большой и жидкость начинает двигаться вверх, то при движении преодолевается не только вес столба жидкости, но и сопротивления, возникающие вследствие трения. В этом случае перепад давления и сила трения действуют в разные стороны и формула верна со знаком плюс. Если же перепад давления мал и жидкость движется вниз под действием собственного веса, то перепад давления и сила сопротивления трения действуют в одну сторону и в формулах нужно учитывать знак минус. Это же можно выразить и немного иначе. Если имеется слабый приток жидкости в скважину, то в формулах сохраняем знак «плюс»; если жидкость отфильтровывается в пласт из скважины, то в формулах учитываем знак «минус».

Как правило, после прекращения циркуляции в скважине наблюдается некоторое снижение гидростатического давления. Твердые частицы дисперсной фазы, вступая во взаимодействие друг с другом, образуют структуру, которая препятствует седиментации шлама. Эта структура вступает во взаимодействие со стенками скважины и трубами, структурированный раствор как бы зависает на стенках скважины и трубах, снижая нагрузку на забой.

8.4.2 Влияние гидродинамического давления

Гидродинамическое давление жидкости на забой скважины Pз определяется суммарным действием гидростатического давления Pг = жgh и потерями давления в кольцевом пространстве Pкп, возникающими при циркуляции промывочной жидкости в скважине:

Pз = rжgh + DPкп.

Влияние плотности промывочной жидкости жна процессы, протекающие в скважине при бурении, разнообразно. С увеличением жоблегчается подъем шлама с забоя вследствие увеличения силы Архимеда, уплотняется шламовый слой на забое, возрастает фильтрация из-за повышения перепада давления между скважиной и пластом, уплотняется корка на стенке скважины и пр. Положительное влияние роста плотности промывочной жидкости существенно уступает ее отрицательному влиянию. Именно по этой причине для повышения эффективности бурения скважин необходимо снижать плотность промывочной жидкости (если позволяют геологические условия).

Давление Pз препятствует развитию магистральной трещины, т.к. прижимает консоль к забою. Разделив левую и правую части записанного выражения на величину gh , формуле можно придать иной вид:

rэкв = rж + DPкп / gh = rж + rц .

Эта формула показывает, что увеличение гидравлических сопротивлений в кольцевом пространстве при циркуляции промывочной жидкости эквивалентно возрастанию ее плотности на величину rц. Такое возрастание плотности может произойти с увеличением производительности циркуляции (интенсивности промывки). Особенно это заметно при переходе от ламинарного режима течения к турбулентному. Величина Pкп может измениться при этом на 2 МПа и даже более. Это давление мало по сравнению с величиной гидростатического давления столба промывочной жидкости, но оно может оказать решающее влияние на снижение механической скорости бурения, когда гидростатическое и пластовое давления близки по величине. Этого может оказаться достаточно для того, чтобы механическая скорость бурения уменьшилась на 50 – 100 %. Таким образом, плотность промывочной жидкости не является единственным параметром, изменение которого может привести к существенному изменению гидростатического давления Pг и давления жидкости на забой Pз.

Имеющиеся данные однозначно свидетельствуют о том, что рост давления жидкости на забой приводит к уменьшению механической скорости бурения, если остальные условия сохраняются неизменными. Снижение гидростатического давления обеспечивается использованием аэрированных (газированных) жидкостей, воздуха, дискретным или плавным изменением плотности промывочной жидкости. Однако следует помнить, что достижение максимальной механической скорости бурения не является целью бурения. Наблюдающееся увеличение или уменьшение механической скорости бурения, происходящее при изменении плотности промывочной жидкости, чаще всего является сопутствующим результатом, главной же целью введения химреагентов в буровой раствор, изменяющих плотность раствора, является предупреждение осложнений.

 Скачать реферат