Параметры режима бурения и критерии его эффективности. Информационно-измерительные системы для контроля режима бурения, приборы контроля.

Режим бурения – это сочетание факторов, определяющих скорость и стоимость проходки конкретного интервала горных пород, выделенного как режимная пачка.

Режимная пачка – это непрерывный интервал бурения, в котором геолого-технологические условия принимаются постоянными, независящими от глубины залегания горных пород в пределах пачки. Такие интервалы имеют и другое название – пачки одинаковой буримости горных пород.

Режим бурения это сочетание таких параметров, которые влияют на показатели работы долота и которые бурильщик может оперативно изменять с поста управления.

Основными факторами, определяющими режим вращательного бурения, являются:

1. тип и класс породоразрушающего инструмента;

2. режим работы породоразрушающего инструмента;

3. способ вращения породоразрушающего инструмента.

Каждый параметр режима бурения по-своему влияет на эффективность разрушения горных пород, причем влияние одного параметра может зависеть от уровня другого, т.е. может наблюдаться их взаимное влияние.

При вращательном бурении режим работы долота принято задавать следующими параметрами:

1. осевой нагрузкой на долото, кН;

2. частотой вращения долота, об/мин;

3. количеством промывочной жидкости или воздуха, подаваемых на забой для выноса разрушенной горной породы и охлаждения инструмента, м³/с.

При нагружении долота осевой нагрузкой G создается необходимое для разрушения горной породы напряженное состояние и осуществляется отбор энергии от вращающегося инструмента для обеспечения последовательного разрушения породы по всему забою. Осевая нагрузка G = g_iD,
где g_i – интенсивность осевой нагрузки, кН на 1 мм диаметра D долота.

Предельные значения g_i составляют 0,5–1,5 кН/мм, причем меньшим диаметрам долота соответствует нижний предел, а большим – верхний предел.

По частоте вращения различают три режима работы:

1. низкооборотное (роторное) бурение – n_д ≤ 90 об/мин;

2. при средних частотах вращения, в пределах которых выделяют два диапазона – 90 < n_д ≤ 250 об/мин; 250 < n_д < 450 об/мин; эти диапазоны реализуются при вращении долот объемными забойными двигателями и редукторными турбобурами и электробурами;

3. высокооборотное бурение – n_д ≥ 450 об/мин; реализуется при бурении с безредукторными турбобурами и электробурами.

Промывка или продувка скважины должны обеспечивать полное и своевременное удаление шлама с забоя и из скважины, а также обеспечивать работу гидравлических забойных двигателей.

Расход бурового раствора предварительно подбирается из этих трех условий:

1. из условия очистки забоя определяется расход Q₁ = q_уд · F_з,
где q_уд – удельный расход бурового раствора, м³/(с⋅м²) или м/c; F_з – площадь забоя скважины.

2. из условия подъема шлама в кольцевом зазоре между бурильными трубами и стенкой скважины определяется расход Q₂ = u · F_к,
где u – необходимая скорость восходящего потока жидкости, м/с; F_к – площадь кольцевого зазора.

3. из условия обеспечения работы гидравлического забойного двигателя определяется расход  где M_д – крутящий момент, необходимый для вращения долота; k_з – параметр забойного двигателя.

Стойкость или долговечность долота, характеризующаяся временем механического бурения долотом до его полного износа, обозначается буквой T и измеряется в числах.
Показатели H и T первичные, по ним определяют другие, более сложные показатели. Отношение H / T = v_м получило название механической скорости проходки (бурения), измеряется в м/ч и характеризует среднюю скорость разрушения горной породы.

На характер изменения скорости проходки с ростом гидростатического давления, кроме механических свойств горных пород, влияют и много других факторов.

Одним из факторов, существенно влияющих на механическую скорость бурения, являются параметры бурового раствора, такие как плотность, содержание твердой фазы, водоотдача, вязкость.

Влияние плотности на (особенно в области объемного разрушения) объясняется повышением гидростатического давления между скважиной и разбуриваемым пластом. При истирании породы это влияние незначительно. С понижением плотности проявляется эффект неравномерного всестороннего сжатия.

С ростом плотности для получения объемного разрушения необходимо повышать осевые нагрузки и наоборот (воздух, аэрированная жидкость).

Особенно резко падает механическая скорость проходки при увеличении разности между давлением промывочной жидкости и поровым давлением до 7-10 МПа. Отсюда следует вывод, что при бурении необходимо стремиться к поддержанию равновесия между поровым давлением в разбуриваемой породе и давлением столба промывочной жидкости путем регулировки ее плотности. Р_гр > Р_пл.

При бурении с промывкой водой, нефтью уменьшается с ростом вязкости, т.к. в слое жидкости, непосредственно примыкающем к поверхности забоя, жидкость движется ламинарно. А уменьшение скорости затрудняет удаление с забоя частиц.

Чем выше проницаемость пород и больше водоотдача (фильтрация), меньше вязкость фильтрата, ниже частота вращения, больше продолжительность контакта, тем слабее влияние плотности раствора, т.к. давление на забое и глубине выхода успевает выравниваться.

Влияние параметров режима бурения на работу долот

На работоспособность долота влияет различное сочетание параметров режима бурения, а на снижение долговечности долота - увеличение осевой нагрузки, частоты вращения, плотности и вязкости бурового раствора, а также большое содержание твердой фазы, вибрация бурового инструмента, продольное и поперечное колебания низа бурильной колонны и многое другое.

Основная цель при бурении - максимальное время работы долота за один рейс. В то же время, если изменение одного из параметров режима бурения ведет к повышению скорости бурения за минимальное время и увеличивается проходка на долото, то такое изменение целесообразно.

С увеличением осевой нагрузки повышается механическая скорость бурения, но более интенсивно изнашивается вооружение и опора шарошек долота. Текущую скорость бурения можно определить по формуле ,

Увеличение осевой нагрузки более эффективно, чем повышение частоты вращения, если нет ограничений по прочности всей бурильной колонны и крутящему моменту. Поэтому при повышении осевой нагрузки увеличивается проходка на долото. Однако частоту вращения необходимо подбирать в каждом конкретном случае.

Вследствие колебаний нагрузки интенсивно разрушается вооружение и опора шарошек долота, поэтому стремятся всячески глушить вибрацию различными амортизаторами.

При бурении турбобурами на его работоспособность отрицательно влияют колебания бурильной колонны, т.к. они имеют не высокий крутящий момент. При бурении в мягких породах даже незначительное изменение осевой нагрузки в области Р_г= Р_д ведет к существенному изменению момента и увеличению частоты вращения.

Такая зависимость механической скорости проходки и осевой нагрузки наблюдается при совершенной очистке забоя скважины. При недостаточной промывке темп роста механической скорости проходки с увеличением осевой нагрузки снижается, т.к. часть энергии, подводимой к долоту, затрачивается на дополнительное измельчение шлама.

При неизменной осевой нагрузке и скорости вращения механическая скорость бурения возрастает с увеличением расхода жидкости. Однако темп роста постепенно падает, т.е. улучшение очистки забоя скважины ведет к росту механической скорости бурения.

Увеличение механической скорости бурения при совершенной промывке при роторном бурении возрастает до 30-50%, а при бурении турбобуром с ГМД до 50% при скорости истечения соответственно 60-75 м/с и 95-105 м/с.

Оптимизация режимов бурения. Критерии эффективности режима бурения.

Для сокращения затрат на строительство скважин необходимы оптимизация как выбора породоразрушающих инструментов, так и режима их работы.

При принятии решения об оптимальности варианта породоразрушающего инструмента и режима его работы используются экстремальные значения показателей работы долота.

Критерии оптимизации:

Н (проходка на долото) → max

V_м (механическая скорость) → max

V_р (рейсовая скорость) → max

C (стоимость) → min

Наибольший вес имеют V_р → max, С → min. Практика бурения предполагает комплексное применение этих критериев.

1. V_р → max и С ≤ С_n , где С_n – плановая стоимость 1 м. проходки, обеспечивающая затраты на бурение в пределах сметы.

2. С → min при V_р ≥ V_{р. n} , где V_{р. n} – плановая рейсовая скорость, обеспечивающая строительство скважины в установленные сроки.

При принятии решения проводятся параллельные испытания вариантов, сравнение по критерию С → min, далее оценка статистической значимости различия вариантов одним из вариантов статистики.

Чаще применяются статистический метод сравнения средних арифметических значений сопоставляемых вариационных рядов с использованием t – критерия Стьюдента.