Проектирование характеристики турбобура

Турбинный способ вращательного бурения обладает большими потенциальными возможностями для оптимизации процесса углубления скважин. Это сопряжено с решением комплекса взаимоувязанных задач:

а) определения оптимальных параметров режима бурения;

б) формирования энергетической характеристики турбобура, адекватной этому режиму.

Расчет режимов бурения является предметом отдельного рассмотрения. Поэтому в данном разделе пойдет речь о проектировании энергетической характеристики для эффективного применения турбобура.

15.1. Общие положения:

При расчетах следует руководствоваться следующими общими положениями:

1. Надежный контроль за режимом работы турбобура в процессе бурения возможен при режиме, когда механическая скорость проходки максимальная. Как правило, этот режим совпадает с экстремальным режимом работы турбобура или располагается в непосредственной близости в правой зоне кривой мощности. Таким образом, все расчеты характеристики турбобура имеет смысл вести для экстремального режима работы или режимов, близких к нему.

2. Следует помнить, что при недоиспользовании крутящего момента турбобура долота отрабатываются на излишне высоких частотах вращения. Это приводит к недобору проходки за рейс долота, и поэтому запас крутящего момента не должен быть излишне большим.

3. При турбинном бурении гидравлическая мощность, которую можно получить в гидромониторных насадках долота, всегда намного меньше той, которую можно использовать при роторном способе бурения. Поэтому турбинное бурение предпочтительнее применять в разрезах, сложенных достаточно крепкими породами.

При бурении в мягких и пластичных породах необходимо в первую очередь думать об очистке вооружения долота, что обеспечивается правильным и несимметричным расположением промывочных каналов долота. Вполне удовлетворительная очистка вооружения шарошек достигается при наличии в долоте перепада давления 5 МПа.

4. При турбинном бурении целесообразно использовать осевые нагрузки на долото, составляющие 60 - 80 % тех, которые имеют место при роторном способе бурения аналогичных разрезов.

5. Использование одной и той же энергетической характеристики турбобура в разных по буримости разрезах, например в кварцитах и мягких глинистых сланцах, заведомо ставит турбинный способ бурения в невыгодные условия. Поэтому тип сборки турбобура в каждом конкретном случае должен соответствовать механическим свойствам проходимых пород, гидравлической программе бурения и возможностям применяемого бурового оборудования.

15.2. Методологическая концепция процесса проектирования турбобуров:

На основании выполненных исследований энергетических характеристик турбобуров и способов их регулирования отечественными специалистами разработана методика их проектирования и выбора рациональных параметров, обеспечивающих заданный режим бурения для конкретных геолого-технических условий бурения:

а) определяются типы и количество ступеней турбин и гидротормозов (если это необходимо);

б) определяются необходимые редукторные и тормозные приставки (если это целесообразно), обеспечивающие заданные значения крутящего момента и частоты вращения, при известных величинах расхода и плотности бурового раствора.

Цель выбора рациональной характеристики состоит в том, чтобы из всех возможных вариантов определить тот, который обеспечивает заданные параметры при меньшем перепаде давления на турбобуре и позволяет обходиться минимальным количеством турбинных секций.

Во всех случаях практики бурения выбор рационального варианта характеристики необходимо подтверждать результатами проводки опытных скважин в данных геолого-технических условиях и расчетами экономической эффективности.

Если в распоряжении бурового предприятия имеется несколько типов турбин и ступени ГТ одного габаритного размера, то, как правило, большинство из них может быть использовано для формирования характери­стики турбобура, отвечающей заданным технологическим требованиям.

Оптимальным вариантом характеристики турбобура будет такая характеристика, которая создается одним типом турбины, если необходимое количество турбинных секций при этом не превышает технологически допустимую величину. Последняя определяется рядом технических условий:

- высотой буровой вышки и возможностью размещения турбобура над ротором при смене долота или шпинделя;

- ограничениями по компоновке низа бурильной колонны, когда длина турбобура не должна превышать определенной величины;

- возможностью установки турбобура «за палец» при геофизических и прочих работах в стволе скважины.

Если в наличии имеются редукторная приставка (редуктор-шпиндель), или приспособления для сборки турбовинтового двигателя, или другие средства, предназначенные для снижения частоты вращения вала турбобура, то их также можно использовать с целью получения адекватной энергетической характеристики. В то же время необходимо отметить, что целесообразность применения этих технических средств и методов для регулирования характеристики турбобура на практике должна быть подтверждена как предварительным технико-экономическим расче­том, так и анализом результатов опытного бурения.

Если одним типом турбины не удается сформировать адекватную характеристику, и, если применение других технических средств и методов по каким-либо причинам нецелесообразно или невозможно, то следует использовать сочетание в одном турбобуре турбины со ступенями ГТ или сочетание двух типов турбин, различающихся по быстроходности. При этом следует руководствоваться следующим правилом: как при сочетании со ступенями ГТ, так и при комбинировании двух типов турбин, в качестве одного из них необходимо применять наиболее высокомоментную (быстроходную) турбину из имеющихся в наличии.

15.3. Методика расчета энергетических характеристик турбобуров:

Для проектирования энергетических характеристик турбобуров необходимо определить удельный момент на долоте. Удельный момент на долоте - есть условная величина, характеризующая функциональную связь крутящего момента М с осевой нагрузкой на долоте G. Обычно она является линейной:

M = mG, (15.16)

При проектировании характеристик турбобуров определение удельного момента на долоте проводится для расчетного рабочего (экстремального) режима турбобура, соответствующего максимуму мощности турбины. Поэтому принимается, что величина m зависит, в основном, от типоразмера долота и механических свойств горных пород. Если для данного района бурения известна твердость пород по штампу и другие показатели механических свойств, то определение удельного момента можно произве­сти по «Методическому руководству по определению и использованию показа­телей свойств горных пород в бурении. РД 39-3-679-82, М, ВНИИБТ, 1983, 93 с.»

. Ориентировочные значения удельных моментов m для некоторых регионов России и стран СНГ, рассчитанные по методике указанной выше и уточненные по результатам испытаний ГЗД и электробуров, приведены в таблице 15.1.

Формирование энергетической характеристики турбобура следует осуществлять, руководствуясь одним из двух предварительных условий:

- при заранее ограниченном (заданном) количестве турбинных секций турбобура (как правило, не более трех);

- при заранее неограниченном количестве турбинных секций турбобура (практика показывает, что в этом случае их число не превышает шести)

Таблица 15.1.