Параметров режима бурения)

Параметры режима бурения и показатели работы долот

 

Режим работы долот первой и третьей подгрупп характеризуется следующими параметрами:

F - осевая нагрузка, dim F = Н,

n - частота вращения долота, dim n = об/мин.,

Q - интенсивность (производительность) промывки забоя, dim Q = м³/ с.

П – параметры бурового раствора (плотность, вязкость, концентрация твердой фазы, показатель фильтрации, статическое напряжение сдвига).

Для промывки скважины должен быть выбран буровой раствор с минимально возможными значениями параметров: плотностью, вязкостью, статическим напряжением сдвига.

Осевая нагрузка создается, в основном, весом утяжеленных бурильных труб и забойного двигателя. Для успешного разрушения горных пород при бурении скважин величина осевого усилия составляет 100 – 250 кН. При роторном бурении осевое усилие создается бóльшим, чем при турбинном бурении и связано это с тем, что при большом осевом усилии затруднено, а то и вовсе невозможно, вращение вала турбобура буровым раствором. 

При роторном бурении частота вращения долота меняется в диапазоне (20 ¸280) об/мин, при бурении забойными двигателями - (300 ¸ 700) об/мин.; наибольшая же частота вращения достигается при бурении скважин алмазными долотами (от 400 об/мин и выше).

Подача буровых насосов составляет несколько десятков литров в секунду.

Изменение каждого параметра режима бурения влияет на эффек-тивность разрушения горных пород на забое скважины, причем влияние каждого из параметров на разрушение горных пород при бурении зависит от заданных значений других параметров.   

Значения режимных параметров, обеспечивающие лучшие показатели работы долота при использовании имеющегося бурового оборудования, определяют оптимальный (рациональный) режим бурения.

Режимы бурения, применяемые при бурении скважин в неблагоприятных геологических условиях (зоны поглощений раствора, осложнений, связанных с нарушением целостности ствола скважины и т.п.), при бурении второго ствола, называются специальными режимами.

Рейсом называется комплекс работ, включающий в себя спуск и подъем бурового инструмента, время работы инструмента на забое скважины, извлечение керна (если требуется), замена породораз-рушающего инструмента и пр.

К основным технико-экономическим показателям работы долот относятся следующие:

▪ проходка на долото L - длина ствола скважины в массиве горных пород, пробуренного данным долотом. Этот показатель позволяет судить об объёме полезной работы, выполненной данным долотом при бурении. Для шарошечного и лопастного долот этот показатель совпадает с проходкой за рейс, т.к. эти долота выходят из строя в течение первого же рейса. Показателем конечной стадии отработки долота является резкое снижение механической скорости бурения от начальной величины при износе вооружения долота или резкое повышение крутящего момента при износе опоры;

   ▪ долговечность долота t_д представляет собой время бурения скважины данным долотом до его полного износа;

        ▪ механическая скорость бурения

                                                   V _м = L / t_д.

 

Эта величина характеризует буримость горной породы данным инст-рументом при данных значениях параметров режима бурения. С ростом глубины скважины высокая механическая скорость менее выгодна, чем увеличение проходки за рейс. Объясняется это увеличением длительности спуско-подъёмных работ при росте глубины скважин;

▪ рейсовая скорость бурения

V _р = L / (t_д  + t _сп),

 

где t _сп - длительность спуско-подъёмных операций с учетом времени наращивания колонны и смены долота. Величина V _р  с ростом времени бурения снижается;

▪ техническая скорость бурения

V _р = L / (t_д  + t _сп + t _в),

 

где t _в - длительность вспомогательных операций. Величина технической скорости характеризует общий темп углубления скважины;

      ▪ удельные эксплуатационные затраты на обеспечение 1 м проходки (себестоимость одного метра пробуренной скважины),определяемые по формуле

 

                                 С = [С _в · (t_д + t _сп + t _в ) + C _д ] / L,

 

где С _в - стоимость 1 часа работы буровой установки,

C _д - стоимость долота.

Рациональным типом породоразрушающего инструмента данного размера для конкретных условий бурения является такой тип, который при применении в данных условиях обеспечивает минимум эксплуатационных затрат на 1 м проходки.

Наиболее важными показателями, с точки зрения оперативного управления процессом бурения, является величина проходки и мгновенная механическая скорость. Остальные показатели могут быть рассчитаны после измерения величин L и V _м. Для измерения указанных показателей процесса бурения используют приборы ИП (измерение проходки).

Из приведенного выше выражения для величины С следует, что стоимость одного метра проходки определяется пятью переменными. На величину С значительно влияет стоимость одного часа работы буровой установки С _в: для пробуренного интервала на одной площади при бурении различными буровыми установками одним и тем же долотом получают различную стоимость проходки при одинаковом времени чистого бурения. Увеличение проходки на долото L приводит к резкому сокращению числа спуско-подъемных операций и снижает удельные эксплуатационные затраты на 1 м проходки.

Перечисленные показатели работы долот только в том случае объективно характеризуют работу инструмента, когда они привязаны к конкретным условиям его работы: указаны показатели режима бурения (управляемые параметры) и свойства горных пород, геолого-структурные особенности разбуриваемого массива (неуправляемые параметры). Важно правильно выбрать значение управляемых параметров при изменении неуправляемых: определить тип инструмента и показатели режима бурения при известных значениях показателей свойств горных пород.            

   Обоснование критериев рациональной отработки долот

(критерии оценки эффективности используемых

параметров режима бурения)

 

Оптимизация процесса бурения заключается в определении оптимального сочетания величины параметров режима бурения (F, n, Q, П). Показатель, по которому оценивается эффективность бурения, называется критерием. Такими критериями может служить

- длительность бурения скважины  t_б: долото на забое скважины работает при таких значениях параметров режима бурения, которые обеспечат минимальное время бурения скважины t_б = (t_б)_min,

- стоимость одного метра проходки (экономическая скорость бурения): долото на забое скважины отрабатывает при таких значениях параметров режима бурения, чтобы обеспечить минимальную стоимость 1 м проходки C = C_min.   

 Cогласно исследованиям В.С.Федорова, механическая скорость в процессе бурения изменяется по экспоненциальному закону

 

                               ,                                            

 

где V_o – начальное значение механической скорости, k – коэффициент, величина которого зависит от износа вооружения долота.

Связь между проходкой на долото h_д и его долговечностью t_б  устанавливается формулой

.

Выражение для рейсовой скорости V_р через полученное выражение для проходки на долото примет вид

 

                             ,                               

Из формулы следует, что величина рейсовой скорости зависит от четырех параметров: t_б, t _сп, k, V_o.  

Графики изменения величин V_м, V_р, С приведены на рис.13. Если механическая скорость бурения постоянно снижается с увеличением про-должительности бурения, то изменение рейсовой скорости и удельных затрат отличает более сложное поведение.

 

Резкий спад механической скорости бурения шарошечным долотом по сравнению с ее начальной величиной свидетельствует о катастрофическом износе вооружения долота.  Резкое повышение крутящего момента свиде-тельствует о катастрофическом износе опоры долота.

Рейсовая скорость возрастает до своего максимального значения (V_р)_max, а затем снижается. Время достижения максимального значения рейсовой скорости определяет оптимальное время бурения (t_б)_опт данным долотом.

Величина С с ростом времени бурения вначале снижается, но при достижении значения t_э начинает возрастать. Экономически выгодная про-

должительность бурения t_э указывает на момент подъема долота из скважины.  

Если ставится задача обеспечения минимальных сроков строительства скважины (бурение скважины по заданной траектории до проектной глубины), то оптимальной стратегией бурения будет та, которая обес-печивает замену породоразрушающего инструмента при достижении максимальной величины рейсовой скорости.

Если же преследуется задача минимизации затрат на строительство скважины, то замену инструмента необходимо проводить по достижении времени бурения величины t_э. Критерий C = C_min более обобщающий, чем критерий t_б = (t_б)_min, так как он учитывает больше факторов.

Большие значения механической скорости бурения не могут быть решающим фактором для оценки производительности труда буровой бригады, т.к. это может быть достигнуто при таких значениях осевого усилия и частоты вращения, при которых происходит не только значи-тельный износ инструмента, требующий замену долота, но и возникает аварийная ситуация, связанная с поломкой долота.