Особенности режимов бурения роторным способом и различными видами забойных двигателей.

 

При роторном способе бурения основные режимные параметры — осевую нагрузку, частоту вращения долота, расход бурового раствора — можно изменять с пульта бурильщика, т. е. можно в определенных пределах одновременно повышать или понижать, фиксировать один из них на одном уровне и изменять уровни других. Это позволяет подбирать лучшие сочетания параметров для конкретных условий бурения. Действительно, при изменении одного или нескольких режимных параметров технологически долее целесообразно изменять и остальные в определенном направлении и на определенную величину в зависимости от избранного критерия оптимизации процесса углубления ствола скважины. Большой крутящий момент, развиваемый ротором, создает возможность передавать на долото достаточно большие осевые нагрузки, обеспечивая работу его в объемной области разрушения, преимущественно в области второго скачка. Крутящий момент обычно достаточен для бурения шарошечными долотами всех типов, в том числе долотами с большим скольжением и одношарошечными. Однако при использовании алмазных долот и ИСМ часть крутящего момента не удается передать от ротора к долоту вследствие ограниченной прочности бурильных труб, хотя возможности ротора и его привода для этото обычно имеются. В результате эти долота работают в заведомо неэффективном режиме, их применение неэкономично, поэтому для бурения верхних интервалов разреза, как правило, они не используются. При бурении твердых пород шарошечными долотами крутящий момент невелик, осевая нагрузка на долото ограничивается прочностью и стойкостью опор шарошек, прочностью бурильных труб, весом утяжеленного низа колонны за исключением бурения верхних интервалов разреза, применения долот большого диаметра. Частота вращения долота при роторном способе бурения снизилась со 100—500 об/мин до 60—120 об/мин, за рубежом практикуются 25—40 об/мин. Это связано с тем, что с уменьшением частоты вращения снижаются затраты энергии на холостое вращение колонны и ее износ, увеличивается долговечность бурильных труб долота, уменьшаются вибрации и вероятность поломок труб Снижение частоты вращения п, одна­ко, должно сопровождаться повышением передаваемого на до-лото крутящего момента М_Д поскольку мощность на долоте

 

Именно желание подводить к долоту как можно большую мощность вынуждает поддерживать высокие частоты вращения, поскольку низкая прочность применяемых прежде бурильных труб еще больше ограничивала возможность передачи на за­бой крутящего момента. Снижение п должно сопровождаться гораздо большим повышением М_я, чтобы подводить к долоту еще большую и все возрастающую мощность. При этом усло­вии, как отмечалось выше, бурение будет вестись в наиболее выгодном низкооборотном режиме при повышенных осевых на­грузках на долото, т. е. при больших значениях отношения Мд/n.

С увеличением отношения Мд/п существенно снижается энергоемкость разрушения пород. Низкооборотное бурение це­лесообразно и потому, что достаточно стойкие долота с герметизированной опорой пока созданы именно для этого режима. Все это обеспечивает получение большей проходки на долото, чем при бурении забойными двигателями, что особенно замет­но при проходке высоко-абразивных, пластичных пород. Благодаря возможности передачи относительно больших крутящих моментов при бурении на 4000—6000 м роторный способ перспективен и при проводке сверхглубоких скважин в абразивных, пластичных пародах. Вращение бурильной колон­ны способствует закручиванию потока, лучшему выносу шлама. При роторном способе применяются те же высоконапорные на­сосы, что и при турбинном бурении, поэтому имеется сущест­венный резерв для повышения давления, который может быть использован в насадках гидромониторных долот. Меньшая потребность в расходе бурового раствора позво­ляет создавать гораздо больший перепад давления и более вы­сокую скорость истечения его из насадок. При снижении часто­ты вращения долота уменьшается вращательно-вихревой эф­фект потока раствора, ослабляется взвешивание шлама по сравнению с высокооборотным бурением. Поэтому промывка забоя должна быть более совершенной. Роторное бурение возможно при всех видах бурового рас­твора, однако требования к его смазывающей и противоизносной способности выше. Аварийность при роторном способе вы­ше вследствие большего изгиба и закручивания бурильной ко­лонны, большей динамичности и действия знакопеременных на­пряжений. Поэтому важно использовать УБТ такой длины, что­бы при передаче на долото достаточной осевой нагрузки нейтральное сечение находилось в интервале установки их. Для снижения стрелы прогиба важно использование центраторов, а для уменьшения изнашивания бурильных труб, замков и обсад­ной колонны — предохранительных колец. Амортизаторы коле­баний способствуют снижению аварийности и увеличению про­ходки на долото. При роторном бурении менее вероятно зависание буриль­ной колонны, поэтому осевая нагрузка, показываемая индика­тором веса, больше соответствует фактически передаваемой на долото. Знание действительных частоты вращения, осевой на­грузки и крутящего момента помогает более надежно оцени­вать уровень износа зубьев и опор долота, чередование пород по твердости. По мере изнашивания опор при бурении в твер­дых породах крутящий момент возрастает. Это позволяет бо­лее обоснованно изменять режим бурения, отрабатывать и ме­нять долото.

Электробур. Частота вращения электробура устанавливается еще на стадии проектирования режима бурения подбором типа элект­робура и числа редукторов. Опыт бурения на промыслах Баш­кирии, Туркмении, Куйбышевской области и Украины подтвер­дил целесообразность использования одной-двух редукторных вставок, снижающих частоту вращения в 2—4 раза. Даже при бурении пород средней твердости (известняков и доломитов) на глубине 1000—2500 м оказалось полезным четырехкратное снижение частоты вращения электробура. При этом осевая на­грузка была увеличена на 20—30%, проходка на долото повы­силась в 1,5 раза, а механическая скорость снизилась лишь на 10—30%. При наличии на буровой преобразователя частоты тока, до­пускающего ее изменение от 35 до 50 Гц частота вращения мо­жет изменяться пропорционально изменению частоты тока. Поскольку при снижении последней уменьшается и мощность дви­гателя, а крутящий момент на валу остается почти неизменным, нельзя существенно изменить осевую нагрузку на долото. Осевая нагрузка, как и крутящий момент, повышается су­щественно лишь кратковременно и в пределах, допускаемых пе­регрузочной способностью электродвигателя, его тепловой ха­рактеристикой. Осевая нагрузка, как и крутящий момент, повышается судить о состоянии долота, знать, что больше износилось — опо­ра (момент и сила тока возрастают) или зубья (момент и сила тока снижаются при постоянной осевой нагрузке). Это дает возможность лучше отрабатывать долота и своевременно их поднимать. Расход бурового раствора может устанавливаться независи­мо от других режимных параметров. Как и при роторном способе, при бурении электробуром избыточное давление насосов может быть использовано в насадках гидромониторных долот. Использование телеметрической системы измерения поло­жения ствола скважины и контроля положения бурильной ко­лонны и отклонителя позволяет успешно применять электробур при проводке наклонных скважин и борьбе с произвольным искривлением их при частом чередовании по твердости наклон­но залегающих пород.

 

Основные особенности режима бурения винтовыми двигате­лями связаны с их рабочими характеристиками, которые рез­ко отличаются от характеристик турбобуров и электробуров. Относительно большой крутящий момент, низкая частота вра­щения и меньшая длина делают винтовой двигатель более предпочтительным при бурении высокоабразивных пород различной твердости, при наборе зенитного угла наклонно-направленных скважин. Перспективен такой двигатель и для бурения пла­стичных пород, залегающих на большой глубине, вследствие меньшего перепада давления, чем в турбобуре.

В сочетании с винтовым двигателем можно успешно исполь­зовать шарошечные долота с большим скольжением, долота ИСМ и алмазные. Недостаточен пока опыт бурения с исполь­зованием гидромониторных долот, хотя такое сочетание долж­но быть эффективным. При бурении на небольшой глубине нет различий в условиях работы двигателя, а при бурении глубо­ких скважин резиновые элементы будут находиться под боль­шим давлением, что может привести к значительным перетокам жидкости. Одно из преимуществ бурения винтовым двигателем — воз­можность контроля отработки долота по изменению давления на стояке: по мере увеличения крутящего момента и изнашива­ния опор давление повышается.

 

Для турбинного бурения характерна взаимозависимость ре­жимных параметров, обусловленных, например, изменением п, М, ,  и N, с увеличением осевой нагрузки на долото, с из­менением расхода, свойств горных пород, степени износа долота и т.; д. В связи с этим нельзя задавать одновременно все пара­метры режима бурения. Обычно принято указывать тип турбо­бура, число секций, тип долота, расход бурового раствора и осевую нагрузку. Для подбора остальных параметров работы турбобура не­обходимо знание комплексной характеристики турбобур — долото — забой (ТДЗ). Поэтому возникает необходимость расче­та основных рабочих характеристик турбобура.