Влияние параметров режима бурения на количественные и качественные показатели бурения

Влияние количества и качества бурового раствора.Промысловы­ми наблюдениями и лабораторными исследованиями установле­но, что наилучшие результаты работы долот имеют место, когда выбуренная порода своевременно удаляется с забоя, в против­ном случае она оказывает дополнительное сопротивление долоту. Чистота забоя скважины, а следовательно, и собственно процесс бурения зависят от следующих факторов.

1. Качество бурового раствора. Очистка скважины от мелкого шлама лучше обеспечивается при глинистых растворах с малой вязкостью и малой прочностью структуры. Крупные куски шлама лучше удаляются при густых и вязких растворах. Увеличение плот­ности повышает подъемную способность глинистых растворов.

В то же время установлено, что механическая скорость проход­ки зависит от величины дифференциального давления, представляющего собой разность между давлением столба бурового раство­ра в скважине и пластовым (поровым) давлением. Давление стол­ба бурового раствора (гидростатическое давление) прямо пропор­ционально его плотности. Если дифференциальное давление боль-ще 3,5 МПа, то механическая скорость проходки остается пример­но постоянной.

С увеличением плотности бурового раствора увеличивается дав­ление на забой скважины, сопротивляемость пород разрушению возрастает, вследствие чего показатели бурения уменьшаются. В случаях когда геологические условия позволяют, следует исполь­зовать в качестве промывочной жидкости воду, газ или воздух с обя­зательной компенсацией их недостаточной подъемной способнос­ти высокой скоростью движения в затрубном пространстве.

Американский ученый Бингхем, анализируя многочисленные промысловые и стендовые эксперименты с использованием для бурения различных промывочных агентов, сделал следующие вы­воды:

в процессе бурения на эффективных режимах максимальные значения проходки за один оборот долота (Н/п) можно получить при использовании в качестве бурового раствора воды;

в большинстве случаев бурить на эффективных режимах можно при использовании в качестве промывочных агентов воздуха или газа. Однако в этом случае и нагрузка на долото, и частота его вращения должны быть меньшими по сравнению с таковыми при бурении с промывкой забоя водой. Это объясняется низкой очи­щающей способностью воздушной струи.

2. Количество бурового раствора, подаваемого на единицу пло­щади забоя скважины. На основании обобщения эксперименталь­ных исследований установлено (исследования проводились при бурении роторным способом и электробуром), что технологичес­ки необходимое количество промывочного раствора, л/с,

где 0,07 — переводной коэффициент; П₃ — площадь забоя скважи­ны, см².

Превышение производительности буровых насосов над вычис­ленной по данному соотношению величиной не приводит к суще­ственному изменению механической скорости проходки.

3. Скорость истечения потока жидкости из отверстий долота и расположения этих отверстий по отношению к шарошкам и забою скважин. С увеличением скорости истечения бурового раствора из долотных насадок улучшается очистка забоя скважины, а следова­тельно, возрастает механическая скорость бурения. Наблюдения показывают, что значительный рост механической скорости про­ходки достигается в том случае, когда скорость струй, вытекающих из насадок гидромониторного долота, превышает 60... 75 м/с. Боль-

шое влияние на условия очистки забоя оказывает высота зубьев шарошек. Чем больше просвет между шарошками и забоем, тем совершеннее его очистка и выше значения Н/п. Наименьшие зна­чения Н/п наблюдаются в тех случаях, когда применяются алмаз­ные долота, в которых зубья (алмазы) выступают за матрицу на незначительную высоту, и штыревые с твердосплавными вставка­ми, почти уплотненными в теле шарошки.

Влияние частоты вращения долота.Установлено, что при увели­чении частоты вращения долота механическая скорость проходки растет, достигая максимальной величины, а потом снижается. Каж­дому классу пород (пластичных, пластично-хрупких и хрупких) соответствуют свои критические частоты вращения долота, пре­вышение которых вызывает снижение механической скорости про­ходки. Следует иметь в виду, что повышение частоты вращения шарошечных долот снижает долговечность их работы из-за интен­сивного износа опор и сокращает проходку за рейс долота.

Влияние осевой нагрузки.По многочисленным отечественным и зарубежным исследованиям влияние осевой нагрузки на меха­ническую скорость может быть охарактеризовано графиком, от­ражающим качественную сторону процесса (рис. 7.1). На кривой ^ум~/(Рц) выделяются три области. Область I характеризуется тем, что скорость V_м увеличивается пропорционально увеличению Р_и. В этой области удельная нагрузка значительно меньше прочности разрушаемой породы, поэтому процесс разрушения носит поверх­ностный характер. Область I называется областью поверхностного разрушения.

Во II области V_м также увеличивается с ростом Р_Л9 но в данном случае механическая скорость растет быстрее, чем увеличивается создаваемая на долото нагрузка. В этой области породы разрушаются при удельной нагрузке, меньшей твердости разрушаемой породы,

но уже близкой к ней. Эта область

условно называется областью ус­талостного разрушения. На грани­це II и III областей удельная на­грузка будет соответствовать твер­дости разрушаемой породы.

В III области процесс разру­шения носит объемный харак­тер. Область III называется обла­стью нормального или объемного разрушения.

Разделение режимов разру­шения породы является услов­ным, так как при работе долота в разной степени наблюдаются все три вида разрушения.

Для турбинного бурения за­висимости г;_м, п, И от осевой на­грузки на долото Р_и показыва­ют, что при всех существующих методах вращательного бурения любое изменение осевой нагруз­ки на долото приводит к изме­нению показателей его работы (рис. 7.2). При поддержании на долоте осевой нагрузки, соот­ветствующей V_м = тах, реали­зуется критерий максимума ме­ханической скорости; при на­грузке, отвечающей Л = тах, будет вестись бурение с макси­мальной проходкой на долото.

Оптимальный режим с мак-

симумом рейсовой скорости будет достигнут при средней величи­не осевой нагрузки между Д, соответствующим ^_мтах, и Д, соот­ветствующим А_тах.

Взаимосвязь между параметрами режима бурения.В роторном бу­рении параметры режима бурения не зависят друг от друга. В про­цессе бурения можно менять любой из них: Р_Л, п или (?_р, не изме­няя других.

Иное дело при бурении гидравлическими забойными двигате­лями. Здесь основным параметром режима бурения является коли­чество прокачиваемой промывочной жидкости <2_р. Осевая нагрузка на долото /д находится в зависимости от (?_р, т.е.

Число оборотов долота п в турбинном бурении переменно и зависит от количества прокачиваемой жидкости и величины осе­вой нагрузки на долото, т.е.

Другими словами, при турбинном бурении изменение величи­ны (2_р неизменно повлечет за собой изменение п и /д.

При бурении электробуром также имеются свои особенности. Электробуром бурят практически при постоянной скорости вра­щения долота и бурильщик не может ее регулировать. Менять ско­рость вращения можно только путем замены электробура другим Двигателем, имеющим иную скорость вращения, изменением час­тоты тока или при помощи редукторов-вставок.

Изменение мощности, затрачиваемой долотом на разрушение пород, имеющих различные физико-механические свойства, вы­зывает изменение силы тока в электрической цепи, питающей эле-

ктробур. Это позволяет следить по показаниям амперметра за ха­рактером работы долота на забое, создавать оптимальные осевые нагрузки, а также определять степень износа долота.

Критерий оценки эффективности применяемых параметров ре­жима бурения.Таким критерием может служить рейсовая скорость или стоимость 1 м проходки, так называемая экономическая ско­рость. Спущенное в скважину долото стремятся отработать при та­ких значениях параметров режима бурения и бурить им столько времени, чтобы обеспечить либо максимальную скорость ^_ртах, либо минимальную стоимость 1 м проходки С_т1п. Критерий С_т{п более обобщающий, чем критерий г;_ртах, так как он учитывает (в сто­имостном выражении) больше факторов.