Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин

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

8.4. РАЦИОНАЛЬНАЯ ОТРАБОТКА ДОЛОТ

Долота рационально отрабатывают (по В.С. Федорову) в том случае, если бурят при оптимальном сочетании параметров режима буре-

ния и минимальных значениях (Pä max – Pä min)/Pä.ñð è (nmax – nmin)/nñð. Продолжительность работы долот выбирают из расчета получения максималь-

ной рейсовой скорости проходки или максимальной стойкости опор долота. Если хотя бы одно из этих условий не соблюдают, то нельзя считать, что долота отрабатывают рационально.

В результате опытов установлено, что если какой-нибудь параметр режима бурения увеличивается, а другие остаются постоянными или изменяются, не обеспечивая оптимального сочетания между параметрами, то при этом чаще всего темп углубления скважины снижается. А если и происходит некоторое увеличение показателей бурения, то сравнительно небольшое. При таких условиях отработка долот не может быть рациональной.

Так как параметры режима бурения n, Pä è Q оказывают различное влияние на механическую скорость проходки и износостойкость долота, то оптимальное соотношение между ними отвечает наиболее высокой рейсовой скорости проходки, т.е. наивыгоднейшие значения n, Pä è Q можно определить из системы уравнений

∂vp/∂n = 0; ∂vp/∂Pä = 0; ∂vp/∂Q = 0,

(8.17)

если при этом будут выполнены соответствующие требования ко вторым производным.

В турбинном бурении рациональное соотношение между Pä, n è Q часто не соответствует оптимальному режиму работы турбобура. Нередко наиболее высокие показатели эффективности отработки долот получают при работе турбобура в области тормозных режимов.

Если в процессе бурения контролировать только осевую нагрузку, то частота вращения долота может колебаться до ±300 мин–1. Такие колебания n объясняются рядом причин, но главнейшая из них – неравномерность подачи долота (бурильной колонны).

Так как в турбинном бурении Q = const и частота вращения долота n = ϕ(Ðä), естественно, что при изменении Pä обязательно будет изменяться и n, причем абсолютное значение колебания будет зависеть от коэффициента K (сброса на 0,01 МН нагрузки).

Опыты показали, что во всех случаях, когда долото подается неравномерно, происходят колебания n, в результате чего эффективность работы долота снижается на 15–25 % и более.

Ориентируясь на рациональную отработку долот, нужно добиваться

равномерной подачи бурильной колонны, чтобы колебания n не превышали 80 мин–1.

Чтобы достичь равномерной подачи, следует применять регуляторы подачи долота. Но вследствие наличия неровностей на забое скважин и

248

некоторого скольжения шарошек сопротивления, встречаемые долотом, постоянно изменяются, а при этом изменяется и n. Турбинное бурение всегда ведется с некоторым колебанием n, если даже при бурении Pä = = const è Q = ñonst.

Рациональная отработка долот невозможна, если нет критериев для определения времени, когда необходимо сменить долото.

Многолетний производственный опыт показывает, что у шарошечных долот наиболее изнашиваются два узла: опоры и рабочая поверхность. Применяемые долота делят на две группы: у одних Tf << Tz, у других Tf >> >> Tz, ãäå Tf è Tz – износостойкость соответственно опор и рабочей поверхности долот. Очевидно, в зависимости от соотношения между Tf è Tz метод определения продолжительности эффективной работы долота на забое должен быть различный.

Åñëè Tf << Tz, то в процессе бурения еще задолго до начала изнашивания рабочей поверхности при высокой механической скорости проходки наблюдается расстройство опор долота: нарушается плавное качение роликов в большом подшипнике, происходит заклинивание роликов, прекращается вращение шарошек, создаются значительные сопротивления вращению долота.

Âроторном бурении периодически (в момент заклинивания шарошки) резко увеличивается мощность, требуемая на бурение.

Âтурбинном бурении при нарушении качения роликов в подшипнике долота приемистость турбобура относительно осевой нагрузки уменьшает-

ся. Турбобур начинает останавливаться при осевой нагрузке Pä, меньшей, причем иногда значительно меньшей, чем начальная Pä. íà÷. Если бурят при параметрах, соответствующих области тормозных режимов работы турбобура, то указанное явление может быть выражено более резко.

Если начинают нарушаться плавность качения опорных элементов долота, происходить заклинивание шарошек, то может произойти разрушение долота. Заметив это, бурильщик должен прекратить бурение и поднять долото для его замены.

Если для разбуривания нефтяного и газового месторождения длительное время применяют долота одного типа, то на основании статистических материалов для них можно установить время T, в течение которого наступает расстройство опор; это будет рациональное время эффективной работы долота на забое Tð. После того как долото проработало на забое время Tð = T, его необходимо поднять, если даже при этом еще сравнительно высока механическая скорость проходки.

Èòàê, åñëè Tf << Tz, òî Tð << Tf.

Если рабочая поверхность изнашивается быстрее опор (Tz << Tf èëè Tz ≈ Tf), то время эффективной работы долота на забое следует определять из условия изнашивания его рабочей поверхности. Многочисленные исследования показали, что при этом наиболее правильно Tð определять из условия максимума рейсовой скорости проходки vð. При этом можно применять приближенное выражение

	vð =	hPä	.	(8.18)
		tá + tï + tñï

Исследуя функцию на максимум, получаем при dvp/dtá = 0

249

dhP ä	=			hP ä				.
dt		T		+ t	ï	+ t	ñï
á		ð

Òàê êàê dh	/ dtá = vì, òî ïðè tá = Tp
	Pä
vì = vð.	(8.19)

Следовательно, с технической точки зрения долото на забое следует использовать до тех пор, пока механическая скорость проходки, уменьшаясь, не станет равной рейсовой скорости походки. Это и будет рациональное время эффективной работы долота на забое Tð.

В этом случае при определении времени подъема долота можно руководствоваться механической скоростью проходки. Долото нужно поднимать после того, как механическая скорость проходки, уменьшаясь с течением времени, достигнет значения

vì = k0vì.ñð,

ãäå vì.ñð – средняя механическая скорость проходки, м/ч; k0 – коэффициент, определяемый опытным путем.

Значение k0 зависит от соотношения между tá è tñï + tï и удовлетворяет условию 0 < k0 < 1.

После полного изнашивания долота (или по иным причинам) колонну бурильных труб приподнимают на несколько метров и промывают скважину до тех пор, пока плотности бурового раствора, закачиваемого в скважину и выходящего из нее, окажутся равными. В это время подготавливают для спуска в скважину новое долото и проверяют состояние оборудования и спускоподъемного инструмента. Затем поднимают инструмент из скважины.

8.5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ БУРЕНИЯ

Установление режимов бурения для проходки тех или иных па- чек пород на основе данных о работе применяемых долот в этих пачках является наиболее точным, если при этом учтен опыт бурения на соседних площадях, а также результаты соответствующих теоретических и экспериментальных исследований.

По отдельным пачкам для каждого типоразмера турбобуров и определенных скоростей вращения ротора составляют таблицы количественных показателей работы долот и параметров режима бурения, зафиксированных при проходке этих пачек в соседних пробуренных скважинах. Результаты расчетов сводят в таблицу, по данным которой выбирают режимы.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ БУРЕНИЯ АНАЛИТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ (ПО В.С. ФЕДОРОВУ И В.Г. БЕЛИКОВУ)

Для проектирования режимов бурения расчетным путем необходимо знать твердость Pô разбуриваемых пород в условиях забоя, предел текучести P0ô пород в этих условиях и другие свойства пород (критическое напряжение σ, абразивность, пластичность и т.д.). Аналитический метод проектирования режимов бурения можно использовать в том случае, если

250

нет промысловых статистических данных о работе долот на рассматриваемой площади или в определенном интервале, а также если нужно уточнить параметры режима бурения, выбираемые на основе промысловых статистических данных, для выявления потенциальных возможностей техниче- ской оснащенности буровых установок и т.д.

Определение осевой нагрузки на долото. Минимальную осевую нагрузку на долото (кН), при которой объемное разрушение породы имеет преобладающее значение, можно определить следующим образом:

а) для упругохрупких и упругопластичных пород

G0t = 0,1pôFt;	(8.20)
б) для пород, не дающих хрупкого разрушения, т.е. для пластичных
пород
G0t = 0,1p0ôFt,	(8.21)

ãäå Ft – опорная площадь рабочей поверхности долота, см2; pô è p0ô – â ÌÍ/ì2.

Максимальную осевую нагрузку (кН) на шарошечное долото, при которой поверхностное разрушение упругохрупких и упругопластичных пород еще имеет преобладающее значение, находят по формуле

Gït = 0,1pó.ôFt,

(8.22)

ãäå pó.ô – предел усталости породы в условиях забоя, МН/м2.

Если бурение ведется в породах, не дающих хрупкого разрушения, то поверхностное разрушение начинается при осевой нагрузке на долото,

меньшей G0t.

Усталостно-объемное разрушение породы преобладает при осевой нагрузке на долото Gót, причем

Gït < Gót < G0t.

(8.23)

Если известно критическое напряжение σ породы в барах, то осевую нагрузку G0t на долото в килоньютонах можно подсчитать по формуле

G0t = 0,1σFt.

(8.24)

Поверхностные разрушения горных пород, не дающих хрупкого разрушения, наблюдаются при G < G0t.

Максимальную осевую нагрузку на долото (кН) при разбуривании пластичных пород шарошечными долотами, исходя из особенностей разрушения этих пород при бурении, можно определить по формуле

Gvt = 0,1p0ô Fδì.ät ,	(8.25)
или по формуле
Gvt = 0,1σFδì.ät ,	(8.26)

ãäå Fδì.ät – уравновешивающая площадь долота при максимально допустимом погружении δì.ät его рабочих элементов в породу, см2:

δ

ì.ät

=

3

÷5

h

; δ

ì.ät

=

3

÷5

h

;

(8.27)

4

6

zìt

4

6

zìt

hzìt – высота самых низких зубцов долота, мм.

251

Осевая нагрузка на долото, скорость его вращения и подача промывочной жидкости не должны превышать значений, обусловливаемых техническими возможностями буровой установки.

Пример 1. Определить осевые нагрузки G0t, Gó è Gït на трехшарошеч- ное долото. Опорная площадь F1 = 1,46 ñì2, pô = 1290 ÌÍ/ì2 è pó.ô = = 475 ÌÍ/ì2.

Минимальную осевую нагрузку на долото при преобладающем значе- нии объемного разрушения породы подсчитываем по формуле (8.20)

G0t = 0,1 1290 1,46 = 188,3 êÍ.

По формуле (8.22) находим осевую нагрузку на долото при преобладающем значении поверхностного разрушения породы

Gït = 0,1 475 1,46 = 69,3 êÍ.

Согласно неравенству (8.23) усталостно-поверхностное разрушение породы при рассматриваемых условиях имеет преобладающее значение при осевых нагрузках на долото, заключенных в пределах от 69,3 до 188,3 кН, т.е.

69,3 < Gót < 188,3 êÍ.

Пример 2. Определить максимальную осевую нагрузку на шарошечное долото, если p0ô = 196 ÌÍ/ì2 è Fδì.ät = 2,03 ñì2.

По уравнению (8.25) имеем

Gvt = 0,1 196 2,03 = 39,8 êÍ.

Определение частоты вращения долота. Объемное разрушение горной породы при бурении зависит не только от выбора требуемой осевой нагрузки на долото, но и от подбора соответствующей продолжительности τ контакта зубьев шарошек с породой. Минимально необходимая продолжительность τì.í контакта зависит от свойств породы и других факторов и колеблется от 3 до 8 мс.

Максимально допустимую частоту вращения (мин–1) шарошечного долота для обеспечения минимально необходимой продолжительности контакта зубьев с породой определяют по формуле

n = 0,6 105	dø	,	(8.28)
ì.ä	τì.ízD

ãäå dø – диаметр шарошки, мм; τì.í – â ìñ; z – число зубьев на периферийном венце шарошки; D – диаметр долота, мм (для современных шаро-

шечных долот отношения dø/D колеблется в пределах от 0,595 до 0,7). При расчетах можно принимать τì.í = 6ч8 мс для упругохрупких по-

ðîä, τì.í = 5ч7 мс для упругопластичных и τì.í = 3ч6 мс для пород, не дающих хрупкого разрушения (пластичных).

Пример 3. Определить максимально допустимую частоту вращения долота из условия обеспечения объемного разрушения упругопластичной горной породы, если диаметр шарошек dø = 95 мм, диаметр долота D = = 145 мм, число зубьев на периферийном венце z = 19.

252

Принимая τì.í = 6 мс, по формуле (8.28) находим, что

n = 0,6 105		95	= 345 ìèí−1.
ì.ä	6	19 145

При поверхностном разрушении породы шарошечными, лопастными и фрезерными долотами механическая скорость проходки возрастает прямо пропорционально увеличению скорости вращения долота до практически применяемых в настоящее время скоростей вращения долота.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ БУРЕНИЯ РАСЧЕТНЫМ ПУТЕМ ДЛЯ АЛМАЗНЫХ ДОЛОТ

Основными критериями при выборе параметров режима алмазного бурения должны быть допустимая нагрузка на алмазы и критическая окружная скорость, определяемые соответственно прочностью алмазов и существующими нормами промывки и твердости пород.

Нагрузку на долото (кН) рекомендуется определять по формуле

G = 0,1apøSê,

(8.29)

ãäå à – коэффициент, учитывающий характер разрушения породы на забое и прочность алмазов (для условий бурения отечественными алмазами в Республике Башкортостан коэффициент a принимается равным 0,5–0,8); pø – твердость породы по штампу, МН/м2; Sê – контактная площадь алмазов, установленных на торцовой части долота, см2.

Для практических расчетов можно пользоваться формулой

Sê = 0,03dñkò,

(8.30)

ãäå Sê – â ìì2; 0,03 – коэффициент, характеризующий степень внедрения алмазов при хрупком разрушении породы; kò – число алмазов на торцовой поверхности долота; dñ – средний диаметр алмазов, мм.

В начале бурения новым долотом нагрузка не должна превышать 5– 10 кН. Для трещиноватых пород расчетные нагрузки рекомендуется уменьшать на 50 %.

Количество промывочной жидкости (л/с) рекомендуется определять по формуле

Q = K0Sç,

(8.31)

ãäå K0 = 0,06÷0,10 ñì3/(ñ ñì2) – размерный коэффициент очистки (охлаждения) забоя, характеризующий расход жидкости на площади забоя 1 см2 çà 1 ñ; Sç – площадь забоя скважины, см2.

Частота вращения алмазных долот (мин–1) определяется исходя из критической окружной скорости ωêð коронки диаметром D:

n = 60ωêð/(πD),

(8.32)

ãäå D – â ì; ωêð – â ì/ñ.

Обычно ωêð = 3ч5 м/с. При большей скорости наблюдается зашламление алмазных долот.

При бурении плотных, монолитных, малоабразивных пород увеличе- ние частоты вращения неопасно. При бурении трещиноватых неоднород-

253

ных пород высокая частота вращения может привести к выкрашиванию алмазов. Для долот диаметром 142 мм рекомендуется частота вращения до 400 мин–1, а для долот диаметром 158, 186 и 208 мм она не должна превышать соответственно 350, 300 и 250 мин–1.

Исследованиями УфНИПИ установлено, что требуемая мощность для алмазного бурения пропорциональна скорости вращения и нагрузке. Удельное значение мощности составляет 0,157–0,170 кВт на 1 см2 забоя. Момент на долоте пропорционален нагрузке. Удельное значение момента составляет 20–30 кН м.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ БУРЕНИЯ ПУТЕМ ПЕРЕСЧЕТА

Проектировать режимы бурения путем пересчета можно, если на данной площади или в данных пачках породы бурили долотами определенного типоразмера и выявилась необходимость перехода на долота других типов или диаметров. При этом сначала устанавливают рациональные режимы бурения для долот применяемых типоразмеров на основе имеющихся промысловых статистических данных о работе этих долот, а потом эти режимы пересчитывают для долот требуемых типов и диаметров.

Определенные таким образом параметры режимов бурения должны быть уточнены с учетом технических возможностей буровой установки.

При переходе на долото другого типа осевую нагрузку на долота определяют по формуле

Gì = Gc	ηzìtzì			(8.33)
	η	t
		zc zc
или по формуле
Gì = Gc	Fδì.ä.ì		,	(8.34)
	F
	δ
		ì.ä.c

ãäå ηz – коэффициент перекрытия долота; tz – шаг зубьев; индекс «с» относится к долотам, которыми велось бурение и для которых установлен рациональный режим бурения на основе промысловых статистических данных о работе этих долот, а индекс «м» – к долотам, которыми предполагается вести бурение.

Частоту вращения долот (мин–1) можно пересчитать по формуле

nì = nc	dø.ìzñ			,	(8.35)
	d	z	ì
ø.ñ

ãäå dø è z – то же, что и в уравнении (8.28).

Подачу промывочной жидкости при роторном бурении и при бурении электробурами можно оставить без изменения или несколько повысить, так как при переходе на долото другого типа процесс разрушения породы пойдет более интенсивно, а следовательно, должна быть более интенсивной

èпромывка.

Âтурбинном бурении изменение подачи промывочной жидкости мо-

жет быть вызвано не только технологическими (промывка), но и энергети- ческими условиями вследствие изменения момента сопротивления на доло-

254

те или при переходе на другой тип турбобура (например, с односекционного на двухсекционный) и т.д.

Пример 4. Определить осевую нагрузку на долото ¹ 11 типа М (ηzì = = 1,14; tzì = 30 мм), если при бурении долотами типа С такого же диаметра (ηzñ = 1,35; tzñ = 25 мм) рациональная осевая нагрузка на долото составляет 103 кН.

По формуле (8.33)

Gì =1031,141,35 3025 =104,3 êÍ.

Пример 5. Определить частоту вращения долота 3Б11МЛ (dø.ì = 170 ìì;

zì = 18), если при бурении долотами 3Б11С (dø.ñ = 173 ìì; zñ = 21) рациональная частота вращения долота составляла 295 мин–1.

Частоту вращения долота определяем по формуле (8.35): nì = 295170173 1821 = 338 ìèí−1.

При переходе на долота меньшего диаметра стремятся сохранить одинаковые условия разрушения проходимых пород, т.е. равные механические скорости проходки. Этого можно достичь, если при уменьшении диаметра долота не допускать снижения частоты вращения долота, удельной нагрузки на породу и степени очистки забоя и долота от выбуренной породы и промывки ствола скважины.

Осевая нагрузка на долото

G2	= G1	ηz2tz2D2		,	(8.36)
		η t	D
		z1 z1	1

где индекс «1» относится к долотам большего диаметра, которыми велось бурение и для которых установлен рациональный режим бурения на основе промысловых статистических данных о работе этих долот, а индекс «2» – к долотам меньшего диаметра, которыми предполагается бурить.

Если исходить из условия равенства механической скорости проходки, то n2 = n1; если исходить из условия τì.í = сonst, то частоту вращения долота (мин–1) можно подсчитать по формуле

n2	= n1	dø2z1D1			.	(8.37)
		d	z D
		ø1	2	2

Подачу промывочной жидкости (л/с), исходя из технологических условий, определяют по формуле

	2	2
Q = λQ1	D2	− d2	,	(8.38)
	2	2
	D	− d
	1	1

где λ – коэффициент, учитывающий увеличение стесненности кольцевого пространства при переходе на долота меньшего диаметра (при уменьшении диаметра долота на один номер можно принимать λ = 1,07ч1,21); d – наружный диаметр бурильных труб.

Пример 6. Определить осевую нагрузку на долото 3Б9С (ηz2 = 1,36; tz2 = 18 ìì; D2 = 214 мм), если рациональная осевая нагрузка на долото 3Б11С (ηz1 = 1,35; tz1 = 25 ìì; D1 = 269 мм) составляет 147,5 кН.

255

По формуле (8.36)

G2 =147,5 1,36 18 214 = 85,1 êÍ.

1,35 25 269

Пример 7. Определить подачу промывочной жидкости при бурении долотами ¹ 9 с использованием бурильной колонны диаметром 141 мм, если рациональная подача промывочной жидкости при бурении долотами ¹ 11 с использованием бурильной колонны диаметром 168 мм составляет 39 л/с.

Принимая λ = 1,14, по формуле (8.38) находим

Q = 391,14(2142 −1412) = 26,6 ë/ñ. 2692 −1682

Подачу промывочной жидкости (л/с) в турбинном бурении в зависимости от энергетических условий при переходе на долота меньшего диаметра можно определить по формуле

	Q2	= Q1	D2		Aì1	,	(8.39)
			D		A
			1	ì2

ãäå Aì2 è Aì1 – параметр Aì соответственно для турбины меньшего и боль-

шего диаметра, Í ì ì3 .

(ë/ñ)2êÍ

При заданной подаче промывочной жидкости для турбины меньшего диаметра Aì определяют по следующей упрощенной формуле:

		D	2				Q	2
Aì2 = Aì1		2					1	.	(8.40)
		D1
				Q2
	Çíàÿ	A			, можно определить требуемое число ступеней k				турбины
			ì2					2
турбобура меньшего диаметра:
k	= A / A					,			(8.41)
2	ì2	ì1(1)

ãäå Aì1(1) – параметр Aì одной ступени турбины меньшего диаметра. Пример 8. Определить подачу промывочной жидкости при бурении до-

лотами условного размера ¹ 9 турбобура Т12М3-7 1/2′′, если при бурении долотами условного размера ¹ 11 на турбобурах Т12М3-9′′ рациональная подача промывочной жидкости составляет 39 л/с.

По формуле (8.39) подача

Q = 39 214269 0,09870,1150 = 28,7 ë/ñ.

Пример 9. Определить параметр Aì турбины меньшего диаметра для условий примера 8, если Q2 = 26,6 ë/ñ.

По формуле (8.40)

			214 2			39		2	Í ì ì3
Aì2	= 0,0987							= 0,1258		.
						26,6			(ë/ñ)2êÍ
			269

256

Пример 10. Определить число ступеней турбины меньшего диаметра,

åñëè Aì2 = 0,1258	Í ì ì3	è Aì1(1)	= 0,959 110−3	Í ì ì3	.
(ë/ñ)2êÍ			(ë/ñ)2êÍ

По формуле (8.41) число ступеней k2 = 0,1258/(0,959 10–3) = 131.

КРИТЕРИИ ДЛЯ УСТАНОВЛЕНИЯ НЕОБХОДИМОСТИ ЗАМЕНЫ ДОЛОТА

При работе долота на забое с течением времени проходка возрастает, а мгновенная механическая скорость уменьшается. Если при этом долговечность Tf опор долота выше долговечности Tz рабочей поверхности, то мгновенная рейсовая скорость сначала увеличивается, достигая максимального значения для данных условий, а затем уменьшается. Продолжительность механического бурения, при котором достигается максимум рейсовой скорости, называется рациональным временем tá.ð работы долота на забое. Это время можно вычислить по следующей приближенной формуле:

tá.ð = At	tñï + tï.ï ,	(8.42)
	á.ð

ãäå tñï – продолжительность спуска, подъема, замены долота и наращивания бурильной колонны; tï.ï – продолжительность промывки и проработки скважины;

At á.ð = 1,05 / θz .

(8.43)

В формуле (8.43) θz –коэффициент износа рабочей поверхности долота характеризует темп падения мгновенной механической скорости в процессе работы долота на забое и представляет собой обратную величину логарифмического декремента убывания указанной скорости; последний равен времени, в течение которого мгновенная механическая скорость уменьшается в е раз (е – основание натурального логарифма). Значение θz зависит от абразивных свойств породы, износостойкости рабочей поверхности долота и параметров режима бурения; оно возрастает с увеличением диаметра долота и шага зубьев.

Коэффициент θz можно определить опытным путем, воспользовавшись формулой

θz	= 2,3	lg[h1 /(h1 −h2 )]	,	(8.44)
		tá1

ãäå h1 è h2 – проходка, выполненная долотом в данном долблении соответ-

ственно за время tá1 и время tá2 = 2tá1.

Следует иметь в виду, что уравнение (8.42) получено при условии, что tñï è tï.ï для данного долбления не зависят от времени механического бурения. Это, очевидно, справедливо в том случае, когда проходка на долото не превышает длины бурильной трубы.

Кривая vð = vð(tá) имеет асимметричный вид: у восходящей ветви этой кривой темп возрастания более высокий, чем темп падения у нисходящей

257