ЛЕКЦИЯ 19
19.1. Перспективы внедрения способов местного регулирование давления в зоне разрушения (дифференциального давления) в практику бурения.
Исследованиями установлено, что при 0,2%-ном содержании полиакриламида (ПАА) за счет реализации эффекта Томса скорость распространения фронта жидкости vф в трещинах возрастает в 4 - 5 раз. При этом должны уменьшаться значения Δрр и ру и, как следствие, возрастать эффективность разрушения горных пород и показатели работы долот.
Широкое промышленное внедрение этого способа регулирования давления, выполненное на площадях Башкирии, подтвердило возможность его применения. Значения vm при использовании ПАА были на 20 - 30 % выше ранее достигнутых. Однако температурный диапазон применения ПАА ограничен.
В связи с этим был разработан и испытан забойный сепаратор ЗС, который позволяет эффективно регулировать давления в зоне разрушения независимо от температуры. Буровой раствор в сепараторе разделяется на осветленную и утяжеленную фракции. Осветленная фракция (фактически загрязненная вода плотностью 1080-1090 кг/м3) поступает к долоту, а утяжеленная - в затрубное пространство. В результате пониженной концентрации твердой фазы в жидкости, поступающей на забой, уменьшаются значения ру и, как следствие, облегчается разрушение горных пород.
Механическая скорость проходки при использовании ЗС возрастает на 40 - 60 %, а в некоторых случаях и более.
Имеются данные, что использование других механических способов местного регулирования давления при рс = const в процессе бурения в интервале 1700 - 2500 м также приводит к росту vm на 25-35%.
В некоторых случаях снижения ру согласно данным проведенных исследований можно добиваться регулированием частоты вращения долота nд.
Значение nднеобходимо снижать до момента достижения давления ру, когда при заданной осевой нагрузке будет осуществляться объемное разрушение породы. Изложенное подтверждается практическими результатами бурения, при котором уменьшение nд сопровождалось ростом vm.
Сортамент используемых утяжелителей с каждым годом возрастает. Естественно, качество утяжелителя через показатели свойств бурового раствора х0, r0 и μ будет оказывать влияние на руи, как следствие, на показатели работы долота. Из всех марок утяжелителей следует применять тот, который обеспечивает минимальные значения ру. Установленные зависимости позволяют оценить степень влияния вида утяжелителя на показатели работы долот без ведения длительных и дорогостоящих производственных экспериментов.
Вышеизложенное свидетельствует о том, что в регулировании гидродинамических процессов в разрушаемом слое породы заложен мощный резерв увеличения показателей работы долот.
Между тем при реализации этого способа нельзя воздействовать на общее давление в скважине рс. В связи с этим очевидна целесообразность применения комбинированного способа регулирования давления на поверхности с помощью системы ГЦУ и забойного оборудования, в частности, с помощью ЗС. При этом можно более оперативно снижать Δрр и ру с учетом механических и фильтрационных свойств разбуриваемых горных пород, а также параметров режима бурения.
Обобщая изложенное, можно отметить, что в настоящее время практически без дополнительных материальных затрат за счет внедрения гидродинамических способов воздействия на процесс разрушения горных пород на забое можно добиться существенного повышения технико-экономических показателей бурения скважин.
Известно, что в механическом вращательном бурении зависимость vm от количества Q закачиваемой в скважину жидкости носит экстремальный характер. При удовлетворительной очистке забоя от шлама механическая скорость проходки увеличивается линейно с ростом осевой нагрузки на долото. Но эту зависимость можно довести до квадратичной путем улучшения очистки забоя до совершенства, т.е. когда шлам не попадал бы под долото на повторное измельчение.
Установлено, что имеется технологически разумный дел подачи, после которого ее повышение не приводит к заметному росту механической скорости проходки и проходки на долото.
Схема промывки забоя также может заметно влиять на работу породоразрушающего инструмента. Интенсивность износа вооружения шарошек больше в центре, чем на периферии, а износ козырька и спинки лапы наибольший на высоте, примерно равной половине диаметра шарошек. Установлено, что эти особенности обусловлены схемой равномерной промывки забоя. Широко используемая ныне асимметричная схема промывки забоя частично позволяет решить эту проблему.
Механическая скорость проходки при соответствующих осевой нагрузке и частоте вращения долота растет пропорционально гидравлической мощности, срабатываемой на долоте, и скорости истечения раствора из насадок долота (рис. 19.1). Чем большая часть давления затрачивается на долоте, тем выше скорость струи, лучше очистка забоя и больше гидромониторный эффект.
Частота вращения долота оказывает различное влияние на показатели бурения. Так, при бурении шарошечными долотами увеличение n ведет к соответствующему (пропорциональному) росту числа поражений забоя зубцами шарошек, скорости удара зубцов о породу, динамической составляющей (ударной) нагрузки на долото. Все это повышает эффект разрушения породы долотом, вызывает рост механической скорости проходки. Вместе с тем указанные факторы резко сокращают долговечность долота.
При увеличении n соответственно уменьшается продолжительность τ контакта зубцов шарошек с породой (n и τ - обратно пропорциональные величины). Это снижает эффект разрушения породы, а следовательно, и механическую скорость проходки. При бурении в результате действия перечисленных факторов, обусловливаемых изменением n, получается очень сложная зависимость между n и vm.
В частности, установлено, что механическую скорость бурения можно выразить в зависимости от частоты вращения в следующем аналитическом виде:
(19.1.)
где А, В – эмпирические коэффициенты.
Формула (19.1) соответствует бурению с объемным разрушением породы.
Графическое изображение зависимости vm = f(n) свидетельствует о наличии критического значения nкр, при котором vм = vм max. На рис. 19.2 показан характер изменения механической скорости бурения с ростом частоты оборотов при различных осевых нагрузках на породоразрушающий инструмент рд. С увеличением твердости и хрупкости породы nкр возрастает.
При бурении турбобуром в мягких глинистых породах значения частоты вращения должны быть понижены. В хрупких и пластично-хрупких породах скорость проходки vm - возрастающая функция даже при увеличении n > > 800 об/мин.
Осевая нагрузка на долото. При прочих равных условиях в зависимости от Рд может происходить разрушение породы либо поверхностное, либо объемное. Объемное разрушение может наблюдаться после однократного воздействия на нее зубцов шарошек или после многих воздействий.
Влияние осевой нагрузки Рд на показатели бурения очень велико. Опытами установлено, что зависимость vm = f(Рд) весьма сложная и графически может быть представлена кривыми, изображенными на рис. 19.3.
Сложность этой зависимости обусловливается различными факторами, однако главнейшие из них - циклический характер разрушения породы, наличие шлама, покрывающего неровную поверхность забоя скважины, ограниченная высота рабочих элементов долот.
На рис. 19.3. кривая 1, соответствующая бурению при совершенной очистке забоя скважины, имеет два различных участка Оb и bd, из которых Оb характеризует поверхностные разрушения породы, bd соответствует объемному разрушению. Но характер кривой участка Оa зависит только от особенностей разрушения, а кривой участка bd - от особенностей разрушения и глубины погружения рабочих элементов долота, в частности при бурении шарошечными долотами, имеющими ограниченную высоту зубцов шарошек.
Экстремальное значение функции vm = (Рд) обусловливается ограниченной высотой зубцов.
Наличие шлама ведет не только к снижению механической скорости проходки, но и к тому, что vm как функция Рд достигает максимума при меньших значениях Рд.
Кривая 2 (см. рис. 19.3) соответствует так называемому "нормальному" положению на забое скважины, когда зашламление (по высоте) не превышает ¼-1/6 высоты наиболее низких зубцов шарошек, а кривая 3 - бурению при неудовлетворительной промывке скважины, когда на забое имеется значительное количество шлама.
Итак, чем больше шлама на забое, тем раньше наступает максимум vm как функции Рди тем меньше величина этого максимума.
При высокой частоте вращения долота максимум для vm = f(Рд) наступает при больших значениях Рд, чем при низкой частоте. Отрицательное влияние шлама на vm при более высокой величине n значительнее, чем при более низкой.
Осевая нагрузка, когда vm достигает максимума, называется критической Ркр. Иногда с ростом осевой нагрузки на долото механическая скорость проходки не увеличивалась, а значительно снижалась. Все это относится к тем случаям, когда к моменту увеличения Рд бурили при Рд≥ Ркр.
Долговечность шарошечных долот изменяется обратно пропорционально Рд. Вероятно, показатель степени зависит от погружения зубцов шарошки. Когда зубцы не погружены в породу, Рд больше влияет на разрушение долота, чем при погружении зубцов в породу.
С увеличением Рд растут vm и h- проходка за рейс. Следовательно, сокращается время собственно на бурение скважины и спускоподъемные операции (в результате уменьшения числа этих операций, числа смен долота). С ростом Рд увеличивается и рейсовая скорость проходки vp. Однако, для проходки на долото h и рейсовой скорости проходки vp также имеются критические значения осевой нагрузки.
К сожалению, как в отечественной, так и в зарубежной нефтегазовой промышленности, нет единых твердо установленных и обоснованных параметров режима бурения, которые рекомендовались бы для разбуривания пород с различными механическими свойствами. Для каждого нефтеносного района рекомендуются параметры режима бурения, которые считаются наилучшими.
Большинство специалистов рекомендуют бурить при высоких нагрузках из расчета 1- 3 т на 1" диаметра долота. При этом необходимо создавать большие расходы бурового раствора, обеспечивающих скорость восходящего потока в кольцевом пространства 0,7-1,2 м/с. Имеются и общие рекомендации частоте вращения долота - в пределах 150 - 200 об/мин, но не выше 300 об/мин.
С увеличением размера долота осевую нагрузку увеличивают примерно пропорционально диаметру долота. При бурении в крепких породах применяют более высокие нагрузки на долото, чем в мягких породах.
Дата добавления: 2015-06-27; просмотров: 753;