Влияние параметров режима бурения на показатели работы долот

Понятие о режиме бурения и его параметрах. Под режимом бурения понимается определенное сочетание регулируемых па­раметров, влияющих на показатели бурения. К числу таких па­раметров режима бурения относятся:

- осевая нагрузка (дав­ление) на долото Р_д;

- частота вращения долота n;

- коли­чество прокачиваемой промывочной жидкости Q;

- качество промывочной жидкости (плотность, вязкость, показатель филь­трации, статическое напряжение сдвига).

Сочетание этих параметров, позволяющее получать наибо­лее высокие качественные и количественные показатели буре­ния при данной технической вооруженности буровой, называ­ется рациональным (или оптимальным) режимом бурения.

На практике часто в процессе бурения приходится отбирать керн, бурить скважину в неблагоприятных геологических усло­виях (зонах, склонных к поглощениям, осложнениям, связан­ным с нарушением целостности ствола скважины, и т. п.), за­буривать в сторону от ранее пробуренного ствола и т. д. Ре­жимы бурения, применяемые в таких случаях, называются спе­циальными режимами.

Влияние количества и качества бурового раствора. Промыс­ловыми наблюдениями и лабораторными исследованиями уста­новлено, что наилучшие результаты работы долот получают при своевременном удалении с забоя выбуренной породы, в против­ном случае она оказывает дополнительное сопротивление до­лоту. Чистота забоя, а следовательно, и собственно процесс бу­рения зависят от следующих факторов.

1. Качества 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.

Механическая скорость про­ходки зависит от дифференциального давления, представляю­щего собой разность между давлением столба бурового раствора в скважине и пластовым (поровым) давлением. Давление столба жидкости (гидростатическое давление) прямо пропор­ционально ее плотности. Если дифференциальное давление больше 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 тех случаях, когда геологические условия позволяют, следует использовать в качестве бурового раствора воду, газ или воздух с обязательной компенсацией их недостаточной подъемной способности высокой скоростью движения в затрубном пространстве.

2. Количество бурового раствора, подаваемого на единицу площади забоя скважины. Установлено (исследования проводи­лись при бурении роторным способом и электробуром), что тех­нологически необходимое количество промывочного раствора (Q, л/с) примерно равно

Q = 0,07F₃,

где F₃ - площадь забоя скважины, см².

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

3. Скорости 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 про­ходки. 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. Большое значение на условия очи­стки забоя оказывает высота зубьев шарошек. Чем больше про­свет между шарошками и забоем, тем совершеннее его очистка и выше значения h/n. Наименьшие значения h/n наблюдаются в тех случаях, когда применяются алмазные долота, в которых зубья (алмазы) выступают за матрицу на незначительную вы­соту, и штыревые с твердосплавными вставками, почти утоп­ленными в теле шарошки.

Влияние частоты вращения долота. При увеличении частоты вращения долота механическая скорость проходки растет, достигая максимальной величины, а затем снижается. Каждому классу пород (пластичные, пластичнохрупкие и хрупкие) соответствуют свои кри­тические частоты вращения долота, превышение которых вызы­вает снижение механической скорости проходки. Надо также иметь в виду, что повышение частоты вращения шарошечных долот снижает долговечность их работы вследствие более ин­тенсивного износа опор и сокращает проходку за рейс долота.

 

Рис.10.1. Кривая зависимости механической скорости проходки от ударной на­грузки	Рис. 10.2. Влияние осевой нагрузки на механическую скорость и проходку на долото при турбинном бурении

Влияние осевой нагрузки. Влияние осевой нагрузки на механи­ческую скорость проходки могут быть охарактеризованы гра­фиком (рис. 10.2), отражающим качественную сторону процесса. На кривой выделяются три области. Область I харак­теризуется тем, что v увеличивается пропорционально увеличе­нию Р_д. В этой области удельная нагрузка значительно меньше прочности разрушаемой породы, поэтому процесс разрушения носит поверхностный характер. Область I называется областью поверхностного разрушения.

В области II и также увеличивается с ростом Р_д, но в дан­ном случае механическая скорость проходки 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 областей // и /// удельная нагрузка будет соответ­ствовать твердости разрушаемой породы.

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

Описанное выше разделение режимов разрушения породы условное, так как при работе долота в разной степени наблюда­ются все три вида разрушения.

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_д, nили Q, не изменяя других.

Иное дело в турбинном бурении. Здесь основной параметр режима бурения — количество прокачиваемого бурового рас­твора Q, т. е. частота вращения долота в турбинном бурении переменна и зависит от количества бурового раствора и осевой нагрузки на долото, другими словами, при турбинном бурении изменение Q не­изменно повлечет за собой изменение nи Р_д.

При бурении электробуром также имеются свои особенно­сти. Электробуром практически бурят при постоянной частоте вращения долота, и бурильщик не может ее регулировать. Ме­нять частоту вращения можно только заменой электробура другим двигателем, имеющим иную частоту 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 электробур. Это позволяет следить по показаниям ампер­метра за характером работы долота на забое, создавать опти­мальные осевые нагрузки, определять степень износа долота.

Критерий оценки эффективности применяемых параметров режима бурения. Таким критерием может служить рейсовая скорость проходки или стоимость 1 м проходки, так называе­мая экономическая скорость.