книги / Оптимизация режимов бурения гидромониторными шарошечными долотами

Памяти

профессора Василия Сергеевича ФЕДОРОВА посвящается

П. Ф. ОСИПОВ, Г. Ф. СКРЯБИН

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ БУРЕНИЯ

ГИДРОМОНИТОРНЫМИ ШАРОШЕЧНЫМИ ДОЛОТАМИ

ЯРОСЛАВЛЬ 2001

УДК 622.24.051.553/68

0-74 Осипов П.Ф., Скрябин Г.Ф. Оптимизация режимов бурения гидромониторными шарошечными долотами. - Ярославль: Медиум-пресс. - 2001. - 239 с.

В книге сформулированы проблемы поиска оптимальных режимов бурения гидро­ мониторными шарошечными долотами в условиях неограниченного изменения буримости пород в процессе отработки долота Изложены нетрадиционные решения указан­ ных проблем, которые доведены до формализованных методик выбора оптимальных сочетаний долот и параметров режима бурения на основе математического моделиро­ вания процесса углубления скважины и прогнозирования результатов применения вы­ соконапорных струй для промывки забоя Описаны условия и приведены результаты стендовых исследований насадок и промывочных узлов долот. Обоснован новый кри­ терий оценки интенсивности струйной промывки и описана новая методика выбора оптимальных режимов струйной промывки при бурении. Изложены • методы расчета гидродинамических давлений при движении колонн в скважине при различных техно­ логических операциях Приведены методики оптимизации условий применения гидро­ мониторных долот Предложены и обоснованы методы интенсификации промывки за­ боя, обеспечивающие увеличение глубины эффективного применения гидромонитор­ ных долот.

Для специалиситов, работающих в области бурения скважин Книга может быть полезной студентам и аспирантам вузов специальности "Буре­

ние скважин".

Рецензенты: д-р техн наук А.Г. Потапов, д-р техн. наук ЕК. Юшш

Книга печатается в редакции авторов.

Компьютерная верстка: Осипов П Ф

© Осипов П.Ф., Скрябин Г.Ф., 2001

1.СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ ПОИСКА ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАЗРУШЕНИЯ И ОЧИСТКИ

2.1.Диаграмма бурения как инструмент количественной оценки условий бурения и явлений, сопровождающих работу

4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ ДОЛОТ И ЗАТОПЛЕННЫХ

3

4.5.Оценка степени стеснения гидромониторных струй, истекающих из

4

ВВЕДЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Под понятием “режим бурения” или “режим углубления скважины” понимается сочетание типоразмеров (моделей) долот, нагрузки на долото, скорости его вращения, интенсивности гидромониторной промывки, рео­ логических параметров буровой промывочной жидкости и статического дифференциального давления на забой от долбления к долблению, по мере углубления скважины до намеченной или проектной глубины.

Под оптимальным режимом бурения или оптимальным режимом уг­ лубления скважины понимается такое сочетание указанных параметров, при котором обеспечивается достижение экстремальных значений крите­ риев оптимальности (чаще всего - это максимум рейсовой скорости или минимум стоимости метра проходки) в процессе долбления и в заданном интервале бурения в целом.

Существование оптимальных режимов бурения сомнений ни у кого не вызывает. Что касается научно обоснованных методов их определения, то приходится признавать, что поиск искомой методики продолжается, и про­ блема эта еще ждет своего решения.

Исследования в области режимов бурения, конечной целью которых всегда было и будет поиск кратчайшего пути к оптимуму, до сих пор но­ сили большей частью познавательный характер. Шло естественное накоп­ ление знаний о работе долота на забое. И здесь успехи очевидны и весьма значительны. Достаточно глубоко изучены закономерности процессов, со­ провождающих работу долота на забое: разрушения породы; износа воо­ ружения долота; износа опоры; очистки забоя. Установлено влияние коле­ бательных (волновых) явлений в бурильной колонне на работу долот. Все это оказало благотворное (хотя и косвенное) влияние на совершенствова­ ние конструкций и технологии изготовления шарошечных долот, произво­ дительность которых за последние годы возросла кратно.

Что касается самой практики совершенствования (приближения к оп­ тимальному варианту) режимов бурения с целью повышения технико­ экономических показателей бурения скважины, то она, как и прежде, осу­ ществляется пока, в основном, сугубо эмпирически на основе экспертного анализа активного и (или) пассивного промыслового опыта.

Все известные методы совершенствования режимов бурения требуют значительных затрат времени и средств на подготовку исходной информа­ ции: для анализа опыта бурения нужен, как минимум, сам опыт; для при­ нятия решения по поводу нового варианта бурения необходимо его испы­ тание; для использования методов, основанных на определении механиче­ ских свойств пород, нужен представительный керновый материал; для применения аналитического метода, основанного на определении “базовых зависимостей” необходимо осуществить продолжительные (иногда много­

5

ВВЕДЕНИЕ

летние) промысловые исследования по специальным программам в не­ скольких скважинах. В результате “теоретические” шансы на применение перечисленных методов имеются только в эксплуатационном бурении. Разведочные, поисковые и опорные скважины, проектирование и бурение которых осуществляется в условиях острого дефицита геологической и почти полного отсутствия промысловой информации, по определению ли­ шены полезного применения перечисленных методов.

Известные методы совершенствования режимов бурения, в том числе аналитические, ориентированы на учет только части влияющих на резуль­ тат бурения факторов. Нет, в частности, методики прогнозирования ре­ зультатов применения гидромониторной промывки, хотя влияние промыв­ ки часто превосходит влияние осевой нагрузки и скорости вращения доло­ та.

В настоящее время назрела острая необходимость в разработке мате­ матической модели углубления скважины и основанной на ней универ­ сальной методики проектирования оптимальных режимов бурения гидро­ мониторными шарошечными долотами, учитывающей влияние всех ос­ новных факторов, в том числе и гидромониторной промывки, и пригодной для применения в условиях недостаточности геолого-промысловой ин­ формации. При этом модель бурения, как и модель любого процесса (явле­ ния), должна основываться на обобщенных (инвариантных по отношению к условиям бурения) зависимостях, отражающих в комплексе закономер­ ности влияния основных факторов, а в качестве исходных данных должны быть не какие-то эмпирические “привязочные” зависимости, а константы, характеризующие объекты, участвующие в процессе: породы, породораз­ рушающие инструменты и гидромониторные струи.

В настоящее время сложились благоприятные условия для разработки искомой методики, которую можно было бы назвать математической мо­ делью бурения (углубления скважины). Дело в том, что:

*накоплен значительный объем научных знаний о процессах, со­ провождающих работу долота на забое глубокой скважины, доста­ точный для перехода к количественному описанию этих процессов с целью подготовки формализованных методик расчета;

*отсутствуют технические, организационные или иные причины, препятствующие внедрению быстродействующих компьютеров для реализации упомянутых выше методик как на стадии проекти­ рования строительства скважины, так и при ее бурении.

Существует еще одна причина, объективно требующая разработки универсальной методики проектирования, которая возникла как результат научно-технических достижений в долотостроении. Дело в том, что совре­ менные долота в состоянии за одно долбление пробурить несколько раз­ ных по буримости пачек пород. Это обстоятельство внесло принципиаль­ ные методические трудности в разработку математических моделей буре­

6

ВВЕДЕНИЕ

ния и расчетных методик прогнозирования результатов работы долота и, по существу, перечеркнуло все ранее разработанные аналитические мето­ дики, ориентированные на прогнозирование результатов работы долота в однородной породе. Возник явный методический вакуум, для ликвидации которого следует решить две крупные проблемы:

*разработать методику прогнозирования результатов работы долота на забое в условиях произвольного изменения буримости пород;

*разработать методику количественного описания влияния гидро­ мониторной промывки на показатели работы долота.

Вданной работе изложена новая математическая модель бурения (уг­ лубления скважины), учитывающая влияние не только осевой нагрузки на долото, его модели и скорости вращения, но и произвольного изменения буримости в процессе отработки долота, технологических условий буре­ ния, волновых процессов в бурильной колонне и интенсивности струйной промывки, а также описан комплекс компьютерных программ и методик сопровождения для реализации упомянутой модели в любых условиях, в том числе при бурении разведочных, поисковых и опорных скважин.

Идея работы заключаемся в поиске и применении для моделирования процессов разрушения и струйной очистки забоя универсальных эмпири­ ческих зависимостей, не зависящих от модели долота и условий бурения, в сочетании с использованием, для адаптации модели к конкретным геологотехнологическим условиям проводки скважины, экспериментально опре­ деляемых констант, характеризующих количественно буримость пород.

Вработе решены следующие задачи:

-исследованы и обобщены закономерности разрушения горных пород при бурении скважин шарошечными гидромониторными доло­ тами в стендовых и промысловых (натурных) условиях; исследовано влияние параметров режима бурения и износа вооружения шарошечно­ го долота на критериальные характеристики процесса разрушения по­

род;

-исследованы гидравлические потери в элементах промывочных систем долот при формировании гидромониторных струй;

-исследованы гидромониторные струи, истекающие в тупик, и факторы, влияющие на их геометрические, кинематические и гидроди­ намические характеристики;

-исследована нестационарная фильтрация на забое скважины, возникающая при воздействии на забой подвижных (вращающихся вместе с долотом) гидромониторных струй, что позволило уточнить ме­ ханизм очистки забоя скважины под действием затопленных струй;

-исследовано влияние параметров струи на фильтрационные процессы на забое скважины и обоснован технологический критерий струйной промывки забоя скважины;

7

ВВЕДЕНИЕ

разработаны методика проектирования оптимальных режимов промывки скважины и программный продукт для ее реализации;

- разработана методика прогнозирования количественного влия­ ния гидромониторной промывки на механическую скорость бурения, стойкость вооружения и опор шарошек и на текущие и конечные пока­ затели работы гидромониторных долот;

-разработаны математическая модель работы долота в условиях изменчивости пород по буримости и методика прогнозирования показателей его работы;

-определены условия эффективного применения гидромонитор­ ных долот;

-исследованы и разработаны способы и технические средства интенсификации процессов разрушения и очистки забоя;

разработаны расчетный алгоритм и компьютерные программы выбора оптимальных параметров режима бурения гидромониторными шарошечными долотами.

Перечисленные задачи решены и изложены с различной степенью де­ тализации. В наибольшей мере экспериментально обоснованы выводы, ка­ сающиеся моделирования разрушения пород шарошечными долотами и формирования зазогшенных струй на забое скважины. Некоторые выводы базируются на косвенных доказательствах и ждут прямого подтверждения. В этом отношении данная работа будет полезна не только студентам вузов, обучающимся основам бурового дела, но и интересующимся забойными процессами аспирантам, которые смогут найти для себя актуальные дис­ сертационные темы.

Осиповым П.Ф. написаны разделы 2 - 7 . Разделы 1 и 3.4 написаны ав­ торами совместно.

Авторы испытывают чувство неизменной и глубокой благодарности к тем, кто советом, личным участием или организационно помогали в прове­ дении исследований и обсуждении результатов: Р.Г. Ахмадееву, Н.Н. Бабошкину, Н.Я. Берко, А.А. Босенко, В.Ф. Буслаеву, И.Ю. Быкову, Е.П. Варламову, В.И. Волкову, М.П. Гринбергу, А.М. Гусману, В.И. Зелепукину, С.В. Каменских, А.К. Козодою, Ю.Л. Логачеву, В.Т. Лукьянову, Б.П. Максименко, Е.Я.Оксенойду, Л.А. Певзнеру, В.И. Позднякову, А.Б. Солареву. И.И. Сзупаку, Н.М. Уляшевой, В.А. Швецкому и многим другим.

Авторы выражают искреннюю благодарность рецензентам л.т.н. А.Г. Потапову и д.т.н. Е.К. Юнину за обсуждение результатов, за ценные замечания и советы.

8

I. СОВРЕМЕННО»: СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ п о и с к л о п т и м л л ь н ы х РЕЖИМОВ РАЗРУШЕНИЯ

_1 ^Ч И ^«уА Б О Я С К 1 М Ж И Н Б Ц 1Р 1ууурО Ш |^1Ц 1 Ч Ш О Н 1™ ртаУ Ш Ш А Р О Ш Е Ч Н Ы М Р Щ М О Т А М 1^_

оказались неожиданными для всех. Проходка на долото за счет увеличения механической скорости бурения превысила лучшие показатели почти в два раза. Сразу были перечеркнуты все прежние рекомендации в отношении поинтервального применения долот различных типов, разработанные тер­ риториальным научно-исследовательским институтом на основе анализа предыдущего опыта бурения, в которых использование долот Куйбышев­ ского долотного завода типа “С” не предусматривалось (их тогда еще не было). В результате вместо пяти типов долот без смещения осей шарошек стали применять только два типа: “С” для 90 % разреза скважины и тип ”ТКЗ” - для оставшихся 10 %.

Все известные методы поиска оптимальных режимов бурения пред­ ставлены на рис. 1.1.1.

Рис. 1.1.1. Классификация методов поиска оптимальных режимов бурения.

Экспертные методы не гарантируют обнаружение истинно оптималь­ ного варианта и предполагают наличие рядом с лучшими (хотя и не опти­ мальными) и худших вариантов, за которые предприятие вынуждено рас­ плачиваться из своих средств (доходов и прибылей). По определению ме­ тоды являются высокозатратными, реально применимы только в эксплуа­ тационном бурении и неприменимы в условиях недостаточности (ограни­ ченности) промысловой информации, например, при бурении разведоч­ ных, поисковых и опорных скважин.

Представителем второй группы методов является некогда весьма по­ пулярный метод [178], основанный на моделировании единичного акта

10