- •ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БУРЕНИИ СКВАЖИН
- •ЛИТОМЕХАНИКА В БУРЕНИИ
- •2.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
- •2.2. МЕХАНИЧЕСКИЕ И АБРАЗИВНЫЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД
- •3.1. ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И МОДЕЛИ ЖИДКОСТЕЙ
- •1 + ргдг ’
- •3.5. МЕСТНЫЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ
- •4.1. ШАРОШЕЧНЫЕ ДОЛОТА
- •4.2. ЛОПАСТНЫЕ ДОЛОТА
- •4.3. ФРЕЗЕРНЫЕ ДОЛОТА
- •4.5. АЛМАЗНЫЕ ДОЛОТА
- •4.6. ШАРОШЕЧНЫЕ БУРИЛЬНЫЕ ГОЛОВКИ
- •4.11. КАЛИБРУЮЩЕ-ЦЕНТРИРУЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ
- •5.9. ОБРАТНЫЕ КЛАПАНЫ ДЛЯ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ
- •5.10. ОПОРНО-ЦЕНТРИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
- •6.2. УСТОЙЧИВОСТЬ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ
- •6.3. НАПРЯЖЕНИЯ И НАГРУЗКИ
- •7.2. ЗАБОЙНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
- •Турбобур с редуктором-вставкой
- •7.3. ЮТОРНОЕ БУРЕНИЕ
- •8.4. РАЦИОНАЛЬНАЯ ОТРАБОТКА ДОЛОТ
- •8.5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ БУРЕНИЯ
- •8.6. ОГРАНИЧЕНИЯ НА ПОКАЗАТЕЛИ СВОЙСТВ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ
- •Определение скорости осаждения частиц выбуренной породы в буровых растворах
- •9.3. ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ ТУРБИННОГО БУРЕНИЯ
- •VHro..
- •10.1. ЦЕДИ И ЗАДАЧИ НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН
- •10.3. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ТРАЕКТОРИЮ ЗАБОЯ СКВАЖИНЫ
- •ПРИЛОЖЕНИЕ
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- •ОГЛАВЛЕНИЕ
программ в особых условиях бурения (требующих реализа ции предельно низкой подачи буровых насосов).
Методическое руководство по составлению гидравлической программы бурения скважин, основанное на традиционных методах расчета гидравлических сопротивлений, разработано институтами ВНИИБТ и б. ВНИИКРнефть и реализовано в виде РД 39-2-1156 —84. Эта методика так же, как и Справоч ник по промывке скважин, позволяет выбрать технологичес ки необходимую подачу насосов, диаметр и число насадок долот с учетом горно-геологических и технико-технологи ческих условий бурения при заданных показателях свойств буровых растворов. Основное отличие заключается в упро щенном определении требуемой скорости восходящего пото ка (подачи насосов), для чего используются табулированные значения массовой концентрации шлама, возрастающие от 0,15 до 2,4% при увеличении механической скорости бурения от 1 до 50 м/ч. Кроме того, учитываются требования ЕТП о необходимости реализации в насадках долота скоростей ис течения не менее 80 м/с.
9.3. ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ ТУРБИННОГО БУРЕНИЯ
Ниже показано использование потенциальных возможностей дополнительного снижения стоимости 1 м проходки при гидравлических мощностях в насадках долота, регламентируемых гидравлической программой в результате оптимизации режимных параметров турбинного бурения в реальном масштабе времени.
Предложенная разработка предусматривает идентифика цию модели буримости в реальном масштабе времени, поиск оптимального решения на ЭВМ и переход от традиционного турбинного бурения в режиме максимальной механической скорости к бурению при осевых нагрузках, оптимизирован ных по минимуму стоимости 1 м проходки. При этом пока затели гидравлической программы и режимные параметры турбинного бурения оказываются оптимизированными по единой целевой функции — стоимостному показателю, что в соответствии с приведенными выше заключениями позволяет повысить технико-экономические показатели бурения.
Оптимизация режимных параметров турбинного бурения имеет некоторые особенности из-за зависимости частоты вращения вала турбобура от осевой нагрузки на долото.
Обобщенная модель буримости (9.15) при постоянной гид равлической мощности в насадках долота, регламентирован ной гидравлической программой для турбинного бурения, трансформируется в уравнение Галле — Вудса.
На основании исследований Т.А. Кирия частота вращения долота л при турбинном бурении зависит от безразмерной осевой нагрузки д следующим образом:
л = лх(1 - д2), |
(9.83) |
£ у<чо |
(9.84) |
9 = D D ' |
где лх, GJQ/D — частота вращения на холостом режиме и удельная осевая нагрузка на тормозном режиме работы тур бобура; z — безразмерная константа (1 < z < 2); D — диаметр долота.
Исследуем влияние подачи насосов на изменение механи ческой скорости и механической мощности на валу турбобу ра.
При конкретном сочетании турбобура, долота и типа гор ной породы уравнение (9.83) с учетом изменения подачи на сосов от Q, до 0 2 на основании данных А.А. Погарского и других можно записать в виде
л = лх 02 |
9L |
2г |
(9.85) |
||
01 |
о2 |
|
Уравнение (9.85) отображает новую характеристику турбо бура при измененной подаче насосов.
Введем обозначения:
___ |
О, |
I |
(9.86) |
Л* == п х — |
|||
|
Oi |
|
|
Изо _ |
|
0 2 |
(9.87) |
D |
D 1 0 |. |
|
|
где п х |
И |
GT, / D — новые значения частоты |
вращения при |
холостом режиме и удельной тормозной Нагрузки соответст венно при изменении подачи насосов от 0\ До 02
Постановка (9.85) в уравнение Галле — Вудса с учетом вы
ражений (9.84), (9.86) и (9.87) приводит к уравнению |
|
‘"5(1 • Г ) р . |
(9.88) |
Поскольку d2vM/ dg2 < О, то функция (9.88) имеет макси мум. Приравнивая первую производную нулю, определим удельную осевую нагрузку (G/D)v, обеспечивающую максимум механической скорости проходки,
(9.89)
Выражение (9.89) при Q, = 0 2 полностью совпадает с ана логичной зависимостью, впервые полученной Т.А. Кирия.
В свою очередь, мощность на валу турбобура NTпри рабо те долота на забое можно определить из соотношения, запи санного в виде
NT= —Мл. |
(9.90) |
|
30 |
1 |
1 |
Крутящий момент при неизменной подаче насосов выра
зим зависимостью |
|
М - с МтО |
(9.91) |
D G ^ /D |
|
где MJQ — тормозной момент. |
О, до 0 2 после |
С учетом изменения подачи насосов от |
|
подстановки (9.91) в (9.90) получим |
|
^ =мМй(о?)2^"х(1"^,)' |
(9‘92) |
При анализе зависимости (9.92) следует, что d2NJ/dg2 < 0, т.е. функция (9.92) так же, как и (9.88), имеет максимум. По сле его нахождения при dNT/ dg = 0 определим удельную осевую нагрузку (G/D)Nr, при которой достигается макси мальная мощность на валу турбобура:
(9.93)
Сопоставляя выражения (9.89) и (9.93), приходим к важно му выводу, что совместить удельные осевые нагрузки, обес печивающие максимумы механической скорости и мощности
на валу турбобура, изменяя подачи насосов, невозможно. Вместе с тем (G/D)v = (G/D)„r при а = Р, что, повидимому, может иметь место при определенных значениях дифференциального давления.
Выражение (9.89) для определения экстремальной безраз мерной осевой нагрузки gv при постоянной подаче насосов приведем к виду
£ |
= ! |
- 1 |
(9.94) |
a |
z Uv |
|
|
Уравнение (9.94) позволяет определить параметр p/а, ха рактеризующий соотношение между показателями степени уравнения буримости, по величинам z и gv. График зависи мости параметра p/а от gv приведен на рис. 9.2. Из графика следует, что диапазон экстремальных значений безразмерных осевых нагрузок, в пределах которого возможно совмещение
р/сс
Рис. 9.2. Зависимость соотношения p/а от безразмерной осевой нагрузки g v, соответствующей максимальной механической скорости бурения тур бобуром:
Номер кривой на рисунке............ |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
z ............................................................. |
1,0 |
1,2 |
1,4 |
1,6 |
1,8 |
2,0 |
режимов бурения по максимумам механической скорости и мощности, находится в пределах 0,5 < ду < 0,58. В диапазоне 0,7 < gv < 1 параметр р/а оказывается фактически независи мым от нелинейной характеристики турбобура z, что упро щает процесс идентификации. В общем же случае величина z требует определения. В принципе безразмерный коэффици ент z может быть определен с использованием забойного турботахометра. При наличии ЭВМ на станциях контроля бурения (“Старт", "Геотест" и т.д.) идентификация реальной характеристики турбобура по уравнению (9 .9 3 ) представляет ся элементарной процедурой и здесь не рассматривается.
Между тем диапазоны изменения коэффициента z можно установить более простым способом — по значениям частот вращения и моментов на валу турбобура в долях от стендо вых характеристик лхс и М^ (табл. 9.4).
Значение z определим, используя зависимости (9.83) и (9.93):
Расчеты по уравнению (9.95) с использованием данных табл. 9.4 показывают, что среднее значение показателя нели нейности характеристики турбобура z с опорой качения со ставляет 1,4, с резинометаллической пятой — 2,0.
Рассмотрим теперь возможности идентификации осталь ных коэффициентов (а, р, kf, G^) в модели буримости (9.88) при работе турбобура с заданным расходом бурового рас твора на забое бурящейся скважины. При идентификации рекомендуется использовать метод поиска экстремальных нагрузок, широко применяемый на станциях контроля буре ния. Сущность метода сводится к регистрации на диаграмме самописца тормозной осевой нагрузки Gt0 и изменения осе вой нагрузки на забой во времени т при заторможенном ба рабане буровой лебедки. Величина gv = (Gy/G*)), соответст-
|
|
|
Таблица 9.4 |
|
Поправки на стендовые характеристики турбобуров |
|
|||
Опора качения |
Резинометаллическая опора (пята) |
|||
Частота вра |
Момент |
Частота вра |
Момент |
|
щения |
щения |
|||
|
0.7М^ |
|||
0 |
0.8М** |
0 |
||
0,5пжс |
0,48М^ |
0.5л с |
0.45М^ |
|
0,7пяс |
0.3AV |
0 .7П .С |
0.29AV |
|
0,95пхс |
0 |
0,85л, с |
0 |
вующая максимуму механической скорости бурения, опреде ляется ординатой точки кривой G (т), удовлетворяющей усло вию 32G/3т2 = 0 и практически четко фиксируемой на диа грамме в зоне наиболее интенсивной скорости разгрузки. Последовательность идентификации при бурении горных по род однородной литологической характеристики сводится к следующему.
Вначале по типу турбобура и типоразмеру долота устанав ливаются значения пхс, D и тип опоры турбобура, а также значение коэффициента z (для опоры качения z = 1,4; для резинометаллической пяты z = 2,0). После спуска турбобура на забой и приработки долота по кривой разгрузки турбобу ра при заторможенном барабане буровой лебедки фиксиру ются величины GJO и Gv(gv — Gy/Gj).
Затем в течение нескольких минут (At) производится буре ние при нагрузке Gv, фиксируется Ah и вычисляется макси мальная механическая скорость бурения vmax = Ah/At. Значе ние р/а определяется по формуле (9.94) или по графику (см. рис. 9.2) при известных z и ду.
Далее определяется нагрузка G0, обеспечивающая в первом приближении режим бурения, соответствующий минимуму стоимости 1м проходки. Эта нагрузка примерно на 10%
превышает величину ду и определяется по формуле |
|
G0 == GyQ(gv 4* 0,1), gQ= GQ/G^. |
(9.96) |
При нагрузке G0 бурят до полного износа вооружения или опоры долота; определяют проходку h , время бурения Г и величину v0 = h/T. В связи с этим рейс долота для иденти фикации константы износа вооружения или опоры долота не является избыточным, что важно с экономической точки зрения.
По полученным данным в соответствии с зависимостью (9.88) составляется система из двух уравнений:
' с . '
= */
(9.97)
( „ \°-
(ли»**)*!1- grS)p.
\ DJ
где т — поправка на частоту вращения из-за трения в пяте турбобура (т = 0,58 для резинометаллической пяты и т = = 0,95 для опоры качения).