Ответ на вопрос: «Выбор типа долота и режима бурения: этапы и критерии выбора, способы получения информации и ее обработки для установления оптимальных режимов, ограничения величины параметров».
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.
- Основными факторами, определяющими режим вращательного бурения, являются:
- тип и класс породоразрушающего инструмента;
- режим работы породоразрушающего инструмента;
- способ вращения породоразрушающего инструмента.
Режим бурения, обеспечивающий получение наилучших технико-экономических показателей при данных условиях бурения, называется оптимальным. Иногда в процессе бурения приходится решать специальные задачи: проводку скважины через поглощающие пласты, обеспечение минимального искривления скважины, максимального выхода керна, качественного вскрытия продуктивных пластов. Режимы бурения, при которых решаются такие задачи, называются специальными.
Режим работы долота
- При вращательном бурении режим работы долота принято задавать следующими параметрами:
- осевой нагрузкой на долото, кН;
- частотой вращения долота, об/мин;
- количеством промывочной жидкости или воздуха, подаваемых на забой для выноса разрушенной горной породы и охлаждения инструмента, м3/с.
На взаимодействие долота с горными породами оказывают существенное влияние состав и параметры буровых растворов, которые проектируются, главным образом, в соответствии с геологическими условиями проводки скважин, а поэтому будут рассмотрены при проектировании их промывки.
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 = gi · D,
где gi — интенсивность осевой нагрузки, кН на 1 мм диаметра D долота. Предельные значения gi составляют 0,5-1,5 кН/мм, причем меньшим диаметрам долота соответствует нижний предел, а большим — верхний предел.
Следует отметить, что породоразрушающие инструменты, оснащенные алмазно-твердосплавными пластинками и резцами, эксплуатируются при нагрузках на порядок меньших, чем шарошечные долота.
- По частоте вращения различают три режима работы:
- низкооборотное (роторное) бурение — nд < 90 об/мин;
- при средних частотах вращения, в пределах которых выделяют два диапазона — 90 < nд < 250 об/мин; 250 < nд < 450 об/мин; эти диапазоны реализуются при вращении долот объемными забойными двигателями и редукторными турбобурами и электробурами;
- высокооборотное бурение — nд > 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.
Показатели работы долота
Производительность долота принято характеризовать длиной ствола скважины, пробуренного долотом до его полного износа. Этот показатель называется проходка на долото, обозначается H и измеряется в метрах.
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 = vм получило название механической скорости проходки (бурения), измеряется в м/ч и характеризует среднюю скорость разрушения горной породы.
Для характеристики общего темпа углубления скважины используется показатель, называемый рейсовой скоростью vр:
vр = H / (T + Tсп + Tв),
где Tсп — время на спуск и подъем инструмента для смены долота;
Tв — время на вспомогательные работы, отнесенные к рейсу.
Наиболее общий интегральный показатель работы долота — себестоимость 1 м проходки. Однако из-за сложности расчета этот показатель пока не нашел широкого применения. Взамен используется показатель стоимости 1 м проходки по затратам, зависящим от времени. Этот показатель рассчитывается по формуле
C = (cу · (T + Tсп + Tв) + cд) / H
Критерии оптимизации имеют вид vр → max и C → min. C → min.
В настоящее время сопоставление новых и применяемых (базовых) вариантов долот и режимов их работы регламентируется типовой методикой ВНИИБТ, которой предусматриваются параллельные испытания вариантов и их сравнение по критерию C → min. Для принятия решения проводится оценка статистической значимости различия вариантов одним из методов статистики.
Разделение разреза месторождения на пачки примерно одинаковой буримости. Буримость горных пород и методы ее оценки
Способ «реперных» долот разработан во ВНИИБТ и предполагает выделение пачек по величинам проходки на долото.
В качестве «реперного» принимают тип долота, которым преимущественно разбуриваются сравниваемые интервалы пород при одном и том же режиме его работы. Это дает основание считать, что проходка на «реперное» долото зависит только от буримости горной породы рассматриваемых интервалов. В установленном порядке составляются вариационные ряды показателей работы «реперного» долота для сравниваемых интервалов и одним из статистических методов оценивается значимость различия характеристик вариационных рядов. Если различие статистически незначимо, то сравниваемые интервалы объединяются в одну режимную пачку.
- Последовательность разделения разреза на пачки
- В соответствии с конструкцией скважины выделяются границы пачек на глубинах спуска обсадных колонн.
- По виду применяемой промывочной жидкости.
- Полученные интервалы бурения делятся на режимные пачки одним из названных выше способов.
Интервал бурения под кондуктор на пачки не делят, так как он проходится, как правило, одним долотом. При бурении наклонных и горизонтальных скважин желательно выделять интервалы бурения с отклоняющими приспособлениями в отдельную пачку.
Основные закономерности разрушения горных пород шарошечными долотами
Зависимости начальных характеристик разрушения горных пород от осевой нагрузки на долото
Рис. Зависимости интенсивности (1), энергоемкости (2) и коэффициента динамичности (3) разрушения мрамора от безразмерной нагрузки при бурении на стенде долотом 215,9С-ГВ
В реальных условиях бурения повышение нагрузки на долото должно быть не непрерывным, а дискретным, соответствующим минимумам энергоемкости разрушения. Эти нагрузки на долото являются оптимальными в пределах каждой области разрушения.
Влияние частоты вращения долота на начальную механическую скорость проходки
Рис. Влияние частоты вращения долота на интенсивность разрушения горных пород
Отсюда следует, что с ростом пластичности горных пород отрицательное влияние частоты вращения долота на интенсивность разрушения горных пород увеличивается.
Влияние колебаний бурильного инструмента проходки на механическую скорость
Поэтому задачи снижения вредного влияния и полезного использования энергии колебаний инструмента весьма актуальны. С этой целью разрабатываются амортизаторы, калибраторы и резонаторы. Первые два устройства предназначены для снижения отрицательного влияния колебаний, а последнее для ее полезного использования.
Калибраторы уменьшают амплитуду поперечных колебаний нижней части бурильного инструмента и повышают устойчивость работы долот, а именно обеспечивают вращение долота вокруг их геометрической оси и расчетное взаимодействие вооружения с горной породой.
Амортизаторы включаются в компоновку нижней части бурильного инструмента и поглощают значительную часть энергии колебаний, распространяющихся вверх по бурильному инструменту, снижая его износ и проявление усталостных эффектов. Изменение режима работы бурильного инструмента приводит и к повышению равномерности нагружения породоразрушающих инструментов, что, в конечном счете, обеспечивает улучшение показателей их работы.
Влияние промывочной жидкости на механическую скорость бурения
Промывочные жидкости предназначены для очистки забоя от выбуренной горной породы (шлама), выноса шлама из скважины, охлаждения, очистки и смазывания скважинных инструментов, регулирования напряжений в стенках скважины, создания противодавления пластовым флюидам, а также для обеспечения работы гидравлических забойных двигателей.
Одновременно промывка является третьим важнейшим фактором, определяющим режим работы породоразрушающих инструментов и их показатели. От количества жидкости, ее свойств и организации потоков на забое зависят полнота и своевременность очистки забоя, эффективность гидродинамического воздействия и степень проявления дифференциального давления.
- Отсюда следует, что на показатели работы долота существенное влияние оказывают:
- удельный расход промывочной жидкости (бурового раствора), который часто называют объемной скоростью, так как измеряется в м/с;
- скорость истечения бурового раствора из промывочных отверстий или насадок долота;
- форма и расположение промывочных отверстий;
- организация и режим течения раствора относительно забоя;
- показатели свойств бурового раствора.
Этапы и метод проектирования режима бурения
Геологические факторы характеризуются показателями прочностных, упругих, пластических и абразивных свойств горных пород, наличием твердых включений, сплошностью, пластовым давлением, глубиной и характером залегания и температурой.
Технологические факторы — параметрами режима работы долота, компоновкой бурильного инструмента и свойствами бурового раствора, к основным из которых относятся плотность, вязкость, фильтрационные свойства, содержание твердой фазы и смазочно-охлаждающая способность.
Субъективные факторы — квалификацией бурильщиков и членов буровой бригады, наличием опыта работы на рассматриваемом месторождении, состоянием технологической дисциплины.
Каждая характеристика должна быть описана численными показателями, так как только в этом случае можно ставить вопрос о создании математического описания процесса бурения.
Аналитические модели представляют собой математическое описание зависимостей параметров режима работы долота и его показателей от геометрических характеристик долота и показателей механических свойств горных пород. Возможности аналитических моделей весьма ограничены, так как остаются неучтенными очень большое число факторов.
При оптимизации технологии бурения в целом на месторождении применяют эмпирические модели, параметры которых определяются по данным промысловых экспериментов.
Наилучшие результаты получаются, если в начале разработки месторождения предусматривается бурение опорно-технологических скважин с постановкой активного эксперимента.
Эмпирическая модель называется интегральной, если она описывает зависимости итоговых результатов работы долота (проходки на долото, его стойкости, механической и рейсовой скоростей бурения и т.д.) от основных факторов.
Эмпирическая модель называется дифференциальной, если она описывает результаты работы долота и его изнашивание во времени.
На первом этапе в основе проектирования лежит литолого-петрографическое описание разреза, по которому подбирают аналогичные месторождения, разбуренные или находящиеся в стадии эксплуатационного бурения. Режим бурения ближайшего аналога принимается в качестве предварительного проектного.
На втором этапе в основу совершенствования режима принимаются результаты изучения разреза месторождения в процессе бурения первых скважин. На этом этапе весьма важно выбрать необходимый комплекс характеристик горных пород и разреза в целом и обеспечить получение представительных данных для последующих расчетов по уточнению перспективных типов долот и режимов их работы и отсеиванию неперспективных.
На третьем этапе проводится дальнейшее уточнение характеристик разреза и выбор перспективных вариантов, а по мере накопления статистической информации об их применении решается задача по выбору оптимальных вариантов по критериям, принятым на разбуриваемом месторождении.
Выбор типа долота по статистическим характеристикам твердости и абразивности горных пород
- Долото для заданного интервала бурения (режимной пачки) должно удовлетворять следующим условиям:
- соответствовать твердости горных пород;
- обеспечивать наиболее высокую область разрушения пород по сравнению с альтернативными долотами;
- вооружение шарошечного долота первого класса должно обеспечивать использование ресурса опоры, т.е. стойкость его вооружения при абразивном изнашивании должна быть не менее стойкости опоры.
При абразивном изнашивании эта оценка проводится только для долот первого класса. Долговечность вооружения долот второго класса много больше долговечности опор, так как износостойкость твердого сплава при трении об осадочные горные породы в 60—100 раз выше, чем закаленной стали.