Физика разрушения горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин

Новые технологии бурения позволяют вести бурение при отрицательном дифференциальном давлении. Бурение на депрессии требует от буровиков четкого представления о том, что происходит на забое. Первым условием, которое необходимо выполнить при бурении скважин с отрицательным дифференциальным давлением, является качественное разобщение скважины и пласта. Это достигается управляемой кольматацией – ис

кусственным разделением скважины и пересекающих ее пластов горных пород.

Достижение условияPз < Pпл обеспечивается постепенным снижениием плотности циркулирующей промывочной жидкости rэкв.

8.4.4 Влияние угнетающего давления

Заключительная стадия разрушения горной породы вдавливанием индентора связана с развитием магистральной трещины. В момент возникновения этой трещины давление в её полости равно нулю, т.е.

Рпол = 0.

Это означает, что между давлением промывочной жидкости на забое скважины Рз и давлением в полости магистральной трещины возникает перепад давления. Этот перепад давления

Ру = Рз – Рпол

называется угнетающим давлением. Выбор данного названия связан с тем, что давление Ру прижимает (угнетает) консоль к поверхности неразрушенной породы забоя и препятствует отлому консоли.

Угнетающее давление может достигать десятков МПа. По этой причине оно существенно затрудняет развитие разрушения породы. Снижение угнетающего давления связано с проникновением промывочной жидкости в полость магистральной трещины. Для заполнения полости магистральной трещины промывочной жидкостью и увеличения в ней давления необходим промежуток времени (tз + tу), где tз –время заполнения полости трещины жидкостью, tу – время восстановления давления в полости.

Для облегчения разрушения породы на забое необходимо, чтобы фильтрат промывочной жидкости обладал малой вязкостью и проникал в полость магистральной трещины с большей скоростью. В зависимости от времени контакта зуба долота с горной породой значения Рпол и Ру будут различными:

▪ если время контакта зуба долота с горной породой таково, что выполняется условие

фк < (tз +tу),

то давление в полости магистральной трещины отсутствует Рпол = 0 и угнетающее давление достигает максимальной величины

Ру = Рз = Pmax.

В этом случае происходит сдерживание развития магистральной трещины;

▪ если время контакта зуба долота с горной породой больше времени заполнения фильтратом промывочной жидкости полости магистральной трещины, т.е.

фк > (tз + tу), то Рпол = Рпл.

В этом случае угнетающее давление достигает минимального значения

Ру = Рз – Pр = Pmin

и способствует улучшению разрушения горной породы.

В общем случае будет справедливо следующее неравенство:

(Рз – Pр) £ Ру £ Рз,

т.е. в зависимости от условий разрушения проницаемых горных пород, угнетающее давление может измениться от дифференциального давления до давления, оказываемого промывочной жидкостью на забой скважины.

Исследования, проведенные во ВНИИБТ (Байдюк Б.В.) показали, что с увеличением угнетающего давления происходит уменьшение угла естественного скалывания горной породы при вдавливании индентора (угол между направлением выхода магистральной трещины на забой скважины и осью скважины). Это приводит к снижению объема разрушенной горной породы при каждом вдавливании инденторов и росту энергоемкости её разрушения.

При бурении скважин величина возникающего угнетающего давления регулируется не только изменением физических свойств промывочной жидкости (плотность, вязкость, показатель фильтрации), но и частотой вращения породоразрушающего инструмента.

8.4.5 Влияние параметров бурового раствора на изменение механической скорости бурения

Основные показатели свойств буровой промывочной жидкости (плотность, вязкость, показатель фильтрации (Ф), содержание твердой фазы (СТФ)) взаимосвязаны. Например, с увеличением концентрации твердой фазы в промывочной жидкости возрастает ее плотность, но одновременно снижается показатель филь-трации; обработка промывочной жидкости полимером для уменьшения показателя фильтрации вызывает рост вязкости жидкости и т.п. Нет ни одного химического соединения, вводимого в промывочную жидкость, который бы избирательно изменял лишь один ее параметр. Лишь путем комбинации химических реагентов возможно избирательно регулировать любой показатель промывочной жидкости при фиксированых остальных. По этой причине рассмотрим коротко степень влияния каждого показателя на эффективность разрушения горных пород и механическую скорость бурения. Качественные зависимости механической скорости бурения от показателей свойств промывочной жидкости приведены на рис. 44.

Влияние плотности. Плотность оказывает разнообразное влияние на процесс разрушения горных пород забоя скважины. С одной стороны, рост плотности бурового раствора увеличивает силу Архимеда, удаляющую шлам с забоя, приводит к росту динамической фильтрации на забое, способствующей разупрочнению поверхностного слоя горных пород на забое, укрепляет стенку скважины. С другой же стороны, рост плотности увеличивает поглощение бурового раствора (если для этого создались условия), увеличивает гидростатическое давление, ухудша-ющее отрыв шлама от забоя, сдерживает развитие магистральной трещины. Положительное влияние повышения плотности бурового раствора на процесс бурения значительно уступает отрицательному.

Наибольшее изменение механической скорости бурения происходит при изменении плотности промывочной жидкости (на водной основе) от 1,0 до 1,4 г/см3. В зависимости от глубины скважины и механических свойств разбуриваемых горных пород величина Vм при указанном изменении плотности уменьшается в 2,0 – 2,5 раза, проходка на долото снижается до 3,5 раз. Приведенные цифры, характеризующие изменения механической скорости бурения и проходки на долото отличают как роторный, так и турбинный способы бурения.

Влияние концентрации твердой фазы. Показатели работы долот при росте концентрации дисперсной фазы (твердой фазы) в промывочной жидкости СТФ снижаются. Причем влияние твердой фазы на показатели работы долот зависит от способа бурения. Наиболее вредно на работу долот влияет твердая фаза при турбинном бурении (при увеличении концентрации твердой фазы до 10 % механическая скорость Vм снижается в два раза); при роторном способе бурения подобное снижение механической скорости происходит при росте концентрации твердой фазы от 10 до 30 %. Отметим следующее правило: уменьшение содержания твердой фазы в области высоких ее концентраций (например, с 24 до 20 %) приводит к существенно меньшему приросту механической скорости Vм, чем при снижении концентрации твердой фазы с 12 до 8 %. Эта тенденция усиливается по мере дальнейшего снижения содержания твердой фазы в растворе.

 Скачать реферат