ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ПРОЦЕСС БУРЕНИЯ

Буровые долота выбирают в зависимости от механических свойств горных пород, глубины их залегания и способа вращательного бурения. Применяют долота шарошеч­ные, лопастные, фрезерные, дробящие, алмазные и ИСМ различных типов и размеров для сплошного бурения и буре­ния кольцевым забоем. Для мягких пород рекомендуются долота режуще-скалывающего типа. Для разрушения аб­разивных пород средней твердости, твердых, крепких и очень крепких пород предназначены долота дробяще-скалывающего действия, разрушающие породу зубьями или штырями, расположенными на шарошках, вращающихся во­круг своей оси и оси долота. Одновременно с дробящим действием зубья или штыри шарошек при проскальзывании по забою скалывают породу.

Для разбуривания пород, перемежающихся по твердости и абразивности, используют долота истирающе-режущего дей­ствия, разрушающие породу твердосплавными штырями, расположенными в торцовой части долота или в кромках его лопастей. Алмазные долота рекомендуется применять для разбуривания пород твердых и средней твердости. Наиболь­ший удельный вес в отечественной и зарубежной практике бурения имеют трехшарошечные долота различных типов и размеров.

Под режимом бурения понимают опре­деленное сочетание управляемых факторов, влияющих на количественные показатели бу­рения. Эти факторы называются параметрами режима буре­ния.

К числу важнейших параметров относятся: осевая нагруз­ка на долото Р_д, (G_o), частота вращения долота (или ротора) n; ко­личество (расход) циркулирующего бурового раствора Q; каче­ство циркулирующего бурового раствора, подаваемого на за­бой (фильтрация Ф, статическое напряжение сдвига θ, вяз­кость η, плотность ρ).

Соотношения между параметрами режима подбирают та­ким образом, чтобы получить наиболее высокие количест­венные показатели при требуемых качественных, и возможно более низкую себестоимость 1 м проходки.

Обобщенным количественным показателем механического бурения, зависящим от параметров режима бурения, является рейсовая скорость проходки v_p.

Сочетание параметров режима бурения, при котором по­лучают наиболее высокую рейсовую скорость проходки v_p и требуемые качественные показатели бурения, при данной технической вооруженности буровой называется оптималь­ным режимом бурения.

В практике бурения встречаются случаи, когда необходимо подбирать параметры режима бурения для решения специ­альных задач - обеспечить качественные показатели. Коли­чественные показатели бурения в этом случае второстепенны. Такие режимы бурения называются специальными. К ним относятся режимы бурения, применяемые в неблагоприятных геологических условиях, а также режимы бурения, использу­емые при изменении направления оси ствола скважины (бурение наклонных и горизонтальных скважин), отборе керна и прочее. Качественное формирование ствола всегда должно быть определяющим.

Механическое разрушение горных пород (углубление) при бурении долотом является сложным физическим процессом. Это связано с тем, что влияние параметров режима бурения на его показатели всегда носит комплексный характер.

Наиболее эффективное углубление скважины возможно только в том случае, если забой полностью очищается от шлама; в противном случае выбуренная порода оказывает дополнительное сопротивление работе долота, вследствие че­го механическая скорость проходки и проходка на долото ниже ожидаемых величин. Опыт показывает, что технико-экономические показатели проходки скважин в значительной мере зависят от режима промывки и технологических свойств (качества) бурового раствора. Функции буровых рас­творов многочисленные, однако одними из главных являются те, которые определяют высокие скорости проходки. Если рассматривать только скорость проходки и не принимать во внимание поведение ствола скважины (обвалы, осыпи, по­глощения раствора и т.д.), то для достижения максимальных показателей работы долот наиболее предпочтительно исполь­зовать в качестве промывочного агента маловязкие легкие системы. По степени ухудшения работы породоразрушающего инструмента используемые в мировой практике буровые растворы располагаются в следующем порядке: тяжелый (высокоплотный) высоковязкий буровой глинистый раствор, легкий маловязкий буровой глинистый раствор, эмульсия, буровой раствор на углеводородной основе (РУО), вода, вода с ПАВ, аэрированная жидкость, воздух (газ).

Основные факторы, влияющие на технико-экономические показатели бурения, - компонентный состав, плотность, вязкость, показатель фильтрации и другие параметры буро­вого раствора. Опытным путем уста­новлено, что по значимости наиболее существенными фак­торами, влияющими на показатели работы долот, являются в первую очередь плотность, затем вязкость и, наконец, филь­трация.

С ростом концентрации твердой фазы в буровом растворе механическая скорость проходки и проходка на долото убы­вают.

Совершенствование технологии промывки скважин должно идти в первую очередь по пути снижения плотности буро­вого раствора и содержания в нем твердой фазы, что существенно упрощает регулирование вязкости, фильтрации и других параметров раствора.

Влияние плотности бурового раствора на процесс бурения и формирования ствола многогранно. Ее увеличение приводит к улучшению очистки забоя и ствола скважины от шлама вследствие действия архимедовой силы, к росту динамичес­кой фильтрации на забое за счет повышения положительного дифференциального давления у забоя и к стабилизации сте­нок ствола в результате сближения гидростатического давле­ния в скважине и горного давления массива пород. Все это способствует росту технико-экономических показателей бу­рения.

Но с увеличением плотности раствора возрастает давление на забой скважины, что приводит к дополнительному уплот­нению породы и ухудшению условий отрыва частицы от за­боя потоком раствора. На разрушение образующейся на за­бое толстой глинистой корки затрачивается энергия, при этом усиливается поглощение раствора вскрытым разрезом и продуктивными пластами. Мировой опыт бурения скважин свидетельствует о том, что положительное влияние повыше­ния плотности раствора неизмеримо меньше, чем отрица­тельное, поэтому, если позволяют геологические условия, сле­дует бурить с использованием раствора меньшей плотности, даже при необходимости усложнения технологического про­цесса промывки и применения более сложного оборудования. Скорость проходки при этом возрастает.

Роль фильтрации раствора в процессе углубления скважи­ны также неоднозначна. С увеличением фильтрации на забое облегчаются условия скалывания и отрыва частицы долотом в результате действия расклинивающих сил проникающего фильтрата и выравнивания давления вокруг скалываемой час­тицы; но при увеличении фильтрации уменьшается устойчи­вость ствола, на забое и стенке образуются толстые глинис­тые корки. Разумеется, величина фильтрации определяется конкретными условиями. Но вполне очевидно, что фильтра­ция за некоторое время (принято 30 мин) должна быть ми­нимальной для повышения устойчивости стенки скважины, а мгновенная фильтрация (5-10 с) должна быть максимальной (приближающейся по величине к фильтрации за 30 мин) для улучшения условий бурения.

Вязкость раствора влияет на скорость проходки однознач­но. Роль вязкости бурового раствора наиболее заметна, особенно в диапазоне 15 - 35 с (по прибору ПВ-5). При бурении стремятся снижать вязкость раствора. Это связано с желанием получать на долоте максимальную гидравлическую мощность при высокой скорости истечения раствора из насадок долота. При правильно выбранном режиме промывки сква­жины роль вязкости в процессе транспортирования шлама подчиненная.

Таким образом, при оптимальном соотношении показате­ли свойств буровых растворов скорость проходки может быть существенно повышена.

Технологические параметры промывки, скорость и режим течения бурового раствора определяют интенсивность размы­ва забоя потоком, дифференциальное давление на забое, смыв разрушенной породы с забоя, транспортирование шла­ма от забоя к устью скважины и т.д. Очевидно, что с увели­чением расхода бурового раствора повышается интенсивность разрушения забоя, а скорость проходки возрастает. Но при этом возникают и отрицательные эффекты: диффе­ренциальное давление на забой повышается, увеличивается скорость размыва стенки скважины и т.д.

Основные показатели промывки, определяющие механиче­скую скорость проходки, следующие: гидравлическая мощ­ность, срабатываемая на долоте, скорость истечения раствора из насадок долота и дифференциальное давление на забое скважины.

Реализация гидромониторного эффекта струй, выходящих из насадок долота с высокой скоростью, позволяет увеличить скорость бурения и проходку на долото в мягких породах в 2 - 3 раза. В твердых сланцах гидромониторный эффект при скоростях истечения струи 50-80 м/с позволяет повысить скорость проходки и проходку на долото в 1,5 раза.

При больших глубинах энергетические затраты на про­мывку скважины более ощутимы, чем выигрыш от гидромо­ниторного эффекта долот.

Дифференциальное давление на забой - комплексный фактор, интегрирующий плотность и вязкость бурового рас­твора, режим циркуляции, соотношение геометрических раз­меров ствола и бурильного инструмента и т.д. Независимо от первоначальной причины его увеличение всегда сопровожда­ется ухудшением показателей работы долот. Установлено, что при прочих равных условиях механическая скорость проходки увеличивается с уменьшением дифференциального давления на забой.

Качественная зависимость механической скорости проходки от дифференциального давления на забое скважины, полученная обобщением результатов практических наблюде­ний в России и других странах СНГ, США, Канаде, Иране и других странах приведена на рис.18.1, а. На темп углубления наиболее существенно влияют плотность бурового раствора и содержание в нем твердой фазы. Механическая скорость проходки резко снижается при увеличении плотности рас­твора от 1,0 до 1,5 г/см³.

18.2. ВЛИЯНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО И УГНЕТАЮЩЕГО ДАВЛЕНИЙ НА РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД

На долю шарошечных долот приходится бо­лее 90 % всей проходки. Однако с ростом глубины бурения показатели работы этих долот значительно ухудшаются, что, по мнению большинства исследователей, обусловливается в основном ухудшением буримости горных пород и условий очистки забоя из-за возникновения в зоне разрушения высо­кого дифференциального и угнетающего давлений. В резуль­тате при строительстве скважин, как правило, не использу­ются такие значительные резервы повышения технико-экономических показателей бурения, как снижение давления бурового раствора на забой; регулирование его плотности и концентрации твердой фазы непосредственно в процессе бу­рения; регулирование частоты вращения долота в целях до­стижения минимального дифференциального и угнетающего давлений и т.д.

Гидродинамические процессы в зоне разрушения горных пород на забое скважины. При углублении скважин, пробу­ренных в различных районах, от 1000 до 5000 м механичес­кая скорость проходки v_м иногда снижается в 25 раз. Основной причиной резкого ухудшения технико-экономи­ческих показателей бурения с ростом глубины, по мнению большинства отечественных и зарубежных исследователей, является изменение забойных условий разрушения горных пород. При этом подразумевается влияние таких факторов, как наличие давлений порового р_п, пластового р_пл, диффе­ренциального Δр_р (Δр), угнетающего р_у и суммарного на забое скважины р_с (гидростатического); качество бурового раство­ра; частота вращения долота и динамика его работы.

На основе многочисленных работ сделаны следующие вы­воды.

1. Интенсивное снижение механической скорости проход­ки происходит в начальный момент роста дифференциально­го давления до 1,4 - 5,6 МПа. Дальнейшее повышение Δр со­провождается стабилизацией v_м.

2. С увеличением отрицательного дифференциального дав­ления v_mвозрастает.

3. С ростом осевой нагрузки на долото G_д повышается чувствительность v_м к изменению дифференциального давле­ния.

Таким образом, в настоящее время считается, что при су­ществующих режимах бурения дифференциальное давление, как правило, является значимым фактором, определяющим технико-экономические показатели бурения. При увеличении Δр до 1,4 - 7 МПа в зависимости от условий бурения v_ммо­жет уменьшаться в 2 - 5 раз.

В процессе бурения в проницаемых горных породах под действием положительного перепада давления (р_с > р_пл) в сис­теме «скважина – пласт» фильтрат бурового раствора прони­кает в породу. При фильтровании дисперсная фаза раствора, частично кольматируя слой породы, отлагается на ее поверх­ности в виде слоя осадка, образуя фильтрационную корку, которая совместно с породой оказывает дополнительное со­противление движению фильтрата. Последний, проникая в породу, вызывает перераспределение давления на глубине за­рождения трещин (условно названных магистральными), формирующих лунку выкола. В дальнейшем изложении она именуется глубиной разрушения δ₀. В результате по трассе магистральной трещины будет действовать не пластовое, а иное давление, равное давлению на глубине разрушения, - р_р. Поскольку р_с > р_р, возникает дифференциальное давле­ние, которое определяется из выражения

18.7.

При разрушении непроницаемых горных пород давление на глубине разрушения р_р будет равно поровому р_р = р_п, и выражение (18.7) преобразуется в:

18.8.

т.е. является частным случаем и правомерно только при определении Δр для непроницаемых горных пород.

В процессе развития магистральной трещины первона­чальное давление в ее полости р_т практически равно нулю. Так как р_с > р_т, то над частицей по длине l возникает дина­мический перепад давления, который прижимает частицу к массиву породы, т.е. угнетает ее. Во избежание путаницы в отличие от дифференциального давления этот перепад давле­ния предложено именовать угнетающим давлением р_у. В об­щем случае под угнетающим давлением р_ув отличие от пред­ставлений о динамическом перепаде давления понимается разность между суммарным давлением на забое р_с и давлени­ем в трещине:

p = p_с – p_т = p_с – θ, 18.9

где: θ = р_т/р_р - коэффициент восстановления давления в полости трещины.

Для заполнения полости трещины жидкостью и восстанов­ления давления в ней нужно определенное время, поэтому в зависимости от времени контакта зуба долота с породой τ_кзначения р_т и, следовательно, р_убудут различными. Если τ_к меньше времени заполнения t_зобъема трещины флюидом, то р_т → 0 и в соответствии с выражением (18.8) получим р_у ≈ р_с. При τ_к больше суммы времени t_c = t_з + t_в, где t_в - время восстановления давления в трещине до уровня давления жид­кости на глубину разрушения р_р, давление в трещине р_т ≈ р_р, а p_у ≈ p_с - p_Р. т.е. р_у будет равно дифференциальному давле­нию.

Следовательно, угнетающее давление в зависимости от ус­ловий разрушения проницаемых пород может изменяться в диапазоне значений от дифференциального давления Δр_р до дав­ления на забое скважины р_с. При разрушении непроницаемых горных пород диапазон изменения р_у несколько мень­ше.