Лекция 19 Осевая нагрузка на долото

19.1. Перспективы внедрения способов ме­стного регулирование давления в зоне разрушения (дифференциального давления) в практику бурения.

Исследованиями установлено, что при 0,2%-ном содержании полиакриламида (ПАА) за счет реализации эффекта Томса скорость распрост­ранения фронта жидкости v_ф в трещинах возрастает в 4 - 5 раз. При этом должны уменьшаться значения Δр_р и р_у и, как следствие, возрастать эффективность разрушения горных пород и по­казатели работы долот.

Широкое промышленное внедрение этого способа регули­рования давления, выполненное на площадях Башкирии, под­твердило возможность его применения. Значения v_m при ис­пользовании ПАА были на 20 - 30 % выше ранее достигну­тых. Однако температурный диапазон применения ПАА ог­раничен.

В связи с этим был разработан и испытан забойный сепа­ратор ЗС, который позволяет эффективно регулировать давления в зоне разрушения независимо от температуры. Буровой раствор в сепараторе разделяется на осветленную и утяжеленную фракции. Осветленная фракция (фактически загрязненная вода плотностью 1080-1090 кг/м³) поступает к долоту, а утяжеленная - в затрубное прост­ранство. В результате пониженной концентрации твердой фазы в жидкости, поступающей на забой, уменьшаются зна­чения р_у и, как следствие, облегчается разрушение горных пород.

Механическая скорость проходки при использовании ЗС возрастает на 40 - 60 %, а в некоторых случаях и более.

Имеются данные, что использование других механических способов местного регулирования давления при р_с = const в процессе бурения в интервале 1700 - 2500 м также приводит к росту v_m на 25-35%.

В некоторых случаях снижения р_у согласно данным прове­денных исследований можно добиваться регулированием час­тоты вращения долота n_д.

Значение n_д необходимо снижать до момента достижения давления р_у, когда при заданной осевой нагрузке будет осу­ществляться объемное разрушение породы. Изложенное под­тверждается практическими результатами бурения, при кото­ром уменьшение n_д сопровождалось ростом v_m.

Сортамент используемых утяжелителей с каждым годом возрастает. Естественно, качество утяжелителя через показа­тели свойств бурового раствора х₀, r₀ и μ будет оказывать влияние на р_у и, как следствие, на показатели работы долота. Из всех марок утяжелителей следует при­менять тот, который обеспечивает минимальные значения р_у. Установленные зависимости позволяют оценить степень влияния вида утяжелителя на показатели работы долот без ведения длительных и дорогостоящих производственных экспериментов.

Вышеизложенное свидетельствует о том, что в регулировании гидродинамических процессов в разрушаемом слое породы заложен мощный резерв увеличения показателей работы долот.

Между тем при реализации этого способа нельзя воздействовать на общее давление в скважине р_с. В связи с этим очевидна целесообразность применения комбинированного способа регулирования давления на поверхности с помощью системы ГЦУ и забойного оборудования, в частности, с помощью ЗС. При этом можно более оперативно снижать Δр_р и р_у с учетом механических и фильтрационных свойств разбуриваемых горных пород, а также параметров режима бурения.

Обобщая изложенное, можно отметить, что в настоящее время практически без дополнительных материальных затрат за счет внедрения гидродинамических способов воздействия на процесс разрушения горных пород на забое можно добиться существенного повышения технико-экономических показателей бурения скважин.

Известно, что в механическом вращательном бурении зависимость v_m от количества Q закачиваемой в скважину жидкости носит экстремальный характер. При удовлетворительной очистке забоя от шлама механи­ческая скорость проходки увеличивается линейно с ростом осевой нагрузки на долото. Но эту зависимость можно дове­сти до квадратичной путем улучшения очистки забоя до со­вершенства, т.е. когда шлам не попадал бы под долото на повторное измельчение.

Установлено, что имеется технологически разумный дел подачи, после которого ее повышение не приводит к заметному росту механической скорости проходки и проходки на долото.

Схема промывки забоя также может заметно влиять на работу породоразрушающего инструмента. Интенсивность износа вооружения шарошек больше в центре, чем на периферии, а износ козырька и спинки лапы наибольший на высоте, примерно равной половине диаметра шарошек. Установлено, что эти особенности обусловлены схемой равномерной промывки забоя. Широко используемая ныне асимметричная схема промывки забоя частично позволяет решить эту проблему.

Механическая скорость проходки при соответствующих осевой нагрузке и частоте вращения долота растет пропор­ционально гидравлической мощности, срабатываемой на до­лоте, и скорости истечения раствора из насадок долота (рис. 19.1). Чем большая часть давления затрачивается на долоте, тем выше скорость струи, лучше очистка забоя и больше гидромониторный эффект.

Частота вращения долота оказывает различное влияние на показатели бурения. Так, при бурении шарошечными доло­тами увеличение n ведет к соответствующему (пропорцио­нальному) росту числа поражений забоя зубцами шарошек, скорости удара зубцов о породу, динамической составляю­щей (ударной) нагрузки на долото. Все это повышает эффект разрушения породы долотом, вызывает рост механической скорости проходки. Вместе с тем указанные факторы резко сокращают долговечность долота.

При увеличении n соответственно уменьшается продолжи­тельность τ контакта зубцов шарошек с породой (n и τ - обратно пропорциональные величины). Это снижает эффект разрушения породы, а следовательно, и механическую ско­рость проходки. При бурении в результате действия перечис­ленных факторов, обусловливаемых изменением n, получает­ся очень сложная зависимость между n и v_m.

В частности, установлено, что механическую скорость бурения можно выразить в зависимости от частоты вращения в следующем аналитическом виде:

(19.1.)

где А, В – эмпирические коэффициенты.

Формула (19.1) соответствует бурению с объемным разру­шением породы.

Графическое изображение зависимости v_m = f(n) свиде­тельствует о наличии критического значения n_кр, при котором v_м = v_{м max.} На рис. 19.2 показан характер изменения механической скорости бурения с ростом частоты оборотов при различных осевых нагрузках на породоразрушающий инструмент р_д. С увеличением твердости и хрупкости породы n_кр возрастает.

При бурении турбобуром в мягких глинистых породах значения частоты вращения должны быть понижены. В хрупких и пластично-хрупких породах скорость проходки v_m - возрастающая функция даже при увеличении n > > 800 об/мин.

Осевая нагрузка на долото. При прочих равных условиях в зависимости от Р_д может происходить разрушение породы либо поверхностное, либо объемное. Объемное разрушение может наблюдаться после одно­кратного воздействия на нее зубцов шарошек или после мно­гих воздействий.

Влияние осевой нагрузки Р_д на показатели бурения очень велико. Опытами установлено, что зависимость v_m = f(Р_д) весьма сложная и графически может быть представлена кри­выми, изображенными на рис. 19.3.

Сложность этой зависимости обусловливается различными факторами, однако главнейшие из них - циклический ха­рактер разрушения породы, наличие шлама, покрывающего неровную поверхность забоя скважины, ограниченная высота рабочих элементов долот.

На рис. 19.3. кривая 1, соответствующая бурению при со­вершенной очистке забоя скважины, имеет два различных участка Оb и bd, из которых Оb характеризует поверх­ностные разрушения породы, bd соответствует объем­ному разрушению. Но характер кривой участка Оa зависит только от особенностей разрушения, а кривой участка bd - от особенностей разрушения и глубины погружения рабочих элементов долота, в частности при бурении шарошечны­ми долотами, имеющими ограниченную высоту зубцов ша­рошек.

Экстремальное значение функции v_m = (Р_д) обусловлива­ется ограниченной высотой зубцов.

Наличие шлама ведет не только к снижению механической скорости проходки, но и к тому, что v_m как функция Р_д до­стигает максимума при меньших значениях Р_д.

Кривая 2 (см. рис. 19.3) соответствует так называемому "нормальному" положению на забое скважины, когда зашламление (по высоте) не превышает ¼-1/6 высоты наи­более низких зубцов шарошек, а кривая 3 - бурению при неудовлетворительной промывке скважины, когда на забое имеется значительное количество шлама.

Итак, чем больше шлама на забое, тем раньше наступает максимум v_m как функции Р_д и тем меньше величина этого максимума.

При высокой частоте вращения долота максимум для v_m = f(Р_д) наступает при больших значениях Р_д, чем при низкой частоте. Отрицательное влияние шлама на v_m при более вы­сокой величине n значительнее, чем при более низкой.

Осевая нагрузка, когда v_m достигает максимума, называется критической Р_кр. Иногда с ростом осевой нагрузки на долото механическая скорость проходки не увеличивалась, а значи­тельно снижалась. Все это относится к тем случаям, когда к моменту увеличения Р_д бурили при Р_д ≥ Р_кр.

Долговечность шарошечных долот изменяется обратно пропорционально Р_д. Ве­роятно, показатель степени зависит от погружения зубцов шарошки. Когда зубцы не погружены в породу, Р_д больше влияет на разрушение долота, чем при погружении зубцов в породу.

С увеличением Р_д растут v_m и h - проходка за рейс. Следовательно, сокраща­ется время собственно на бурение скважины и спускоподъемные операции (в результате уменьшения числа этих опера­ций, числа смен долота). С ростом Р_д увеличивается и рейсо­вая скорость проходки v_p. Однако, для проходки на долото h и рейсовой скорости проходки v_p также имеются критические значения осевой нагрузки.

К сожалению, как в отечественной, так и в зарубежной нефтегазовой промышленности, нет единых твердо установленных и обоснованных параметров режима бурения, которые рекомендовались бы для разбуривания по­род с различными механическими свойствами. Для каждого нефтеносного района рекомендуются параметры режима бурения, которые счита­ются наилучшими.

Большинство специалистов рекомен­дуют бурить при высоких нагрузках из расчета 1- 3 т на 1" диаметра долота. При этом необходимо создавать большие расходы бурового раство­ра, обеспечивающих скорость восходящего потока в кольце­вом пространства 0,7-1,2 м/с. Имеются и общие рекомендации час­тоте вращения долота - в пределах 150 - 200 об/мин, но не выше 300 об/мин.

С увеличением размера долота осевую нагрузку увеличи­вают примерно пропорционально диаметру долота. При бу­рении в крепких породах применяют более высокие нагруз­ки на долото, чем в мягких породах.