Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин

условия, следует бурить с использованием раствора меньшей плотности, даже при необходимости усложнения технологического процесса промывки и применения более сложного оборудования. Скорость проходки при этом возрастает.

Ðîëü фильтрации раствора в процессе углубления скважины также неоднозначна. С увеличением фильтрации на забое облегчаются условия скалывания и отрыва частицы долотом в результате действия расклинивающих сил проникающего фильтрата и выравнивания давления вокруг скалываемой частицы, но при увеличении фильтрации уменьшается устой- чивость ствола, на забое и стенке образуются толстые глинистые корки. Разумеется, фильтрация определяется конкретными условиями, но вполне очевидно, что фильтрация за некоторое время (принято 30 мин) должна быть минимальной для повышения устойчивости стенки скважины, а мгновенная фильтрация (5–10 с) должна быть максимальной (приближающейся к фильтрации за 30 мин) для улучшения условий бурения.

Вязкость раствора влияет на скорость проходки однозначно. Роль вязкости бурового раствора наиболее заметна, особенно в диапазоне 15–35 с (по прибору ПВ-5). При бурении стремятся снижать вязкость раствора. Это связано с желанием получать на долоте максимальную гидравлическую мощность при высокой скорости истечения раствора из насадок долота. При правильно выбранном режиме промывки скважины роль вязкости в процессе транспортирования шлама подчиненная.

Таким образом, при оптимальном соотношении показателей свойств буровых растворов скорость проходки может быть существенно повышена.

Технологические параметры промывки, скорость и режим течения бурового раствора определяют интенсивность размыва забоя потоком, дифференциальное давление на забое, смыв разрушенной породы с забоя, транспортирование шлама от забоя к устью скважины и т.д. Очевидно, что с увеличением расхода бурового раствора повышается интенсивность разрушения забоя, а скорость проходки возрастает. Но при этом возникают и отрицательные эффекты: повышается дифференциальное давление на забой, увеличивается скорость размыва стенки скважины и др.

Основные показатели промывки, определяющие механическую скорость проходки, следующие: гидравлическая мощность, срабатываемая на долоте, скорость истечения раствора из насадок долота и дифференциальное давление на забое скважины.

Реализация гидромониторного эффекта струй, выходящих из насадок долота с высокой скоростью, позволяет увеличить скорость бурения и проходку на долото в мягких породах в 2–3 раза. В твердых сланцах гидромониторный эффект при скоростях истечения струи 80 м/с и более позволяет повысить скорость проходки и проходку на долото в 1,5 раза.

При больших глубинах энергетические затраты на промывку скважины более ощутимы, чем выигрыш от гидромониторного эффекта долот.

Дифференциальное давление на забой – комплексный фактор, интегрирующий плотность и вязкость бурового раствора, режим циркуляции, соотношение геометрических размеров ствола и бурильного инструмента и т.д. Независимо от первоначальной причины его увеличение всегда сопровождается ухудшением показателей работы долот. Установлено, что при прочих равных условиях механическая скорость проходки увеличивается с уменьшением дифференциального давления на забой.

Качественная зависимость механической скорости проходки от диф-

238

вий очистки забоя из-за возникновения в зоне разрушения высокого дифференциального и угнетающего давлений. В результате при строительстве скважин, как правило, не используют такие значительные резервы повышения технико-экономических показателей бурения, как снижение давления бурового раствора на забой; регулирование его плотности и концентрации твердой фазы непосредственно в процессе бурения; регулирование частоты вращения долота в целях достижения минимального дифференциального и угнетающего давлений и т.д.

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЗОНЕ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД НА ЗАБОЕ СКВАЖИНЫ

При углублении скважин, пробуренных в различных районах, от 1000 до 5000 м механическая скорость проходки vì иногда снижается в 25 раз, а скорость бурения – в 33 раза (В.Б. Штур, М.Р. Мавлютов и др.). Основной причиной резкого ухудшения технико-экономических показателей бурения с ростом глубины, по мнению большинства отечественных и зарубежных исследователей, является изменение забойных условий разрушения горных пород. При этом подразумевается влияние таких факторов, как наличие давлений порового pï, пластового pïë, дифференциального ∆pð (∆p), угнетающего pó и суммарного на забое скважины pñ (гидростати- ческого); качество бурового раствора; частота вращения долота и динамика его работы.

На основе многочисленных работ сделаны следующие выводы.

1.Дифференциальное давление – основной фактор, определяющий показатели работы долот.

2.Интенсивное снижение механической скорости проходки происхо-

дит в начальный момент роста дифференциального давления до 1,4– 5,6 МПа. Дальнейшее повышение ∆p сопровождается стабилизацией vì.

3.С увеличением отрицательного дифференциального давления vì возрастает.

4.С ростом осевой нагрузки на долото GA повышается чувствительность vì к изменению дифференциального давления.

Таким образом, в настоящее время считается, что при существующих режимах бурения дифференциальное давление, как правило, является ос-

новным фактором, определяющим технико-экономические показатели бурения. При увеличении ∆p до 1,4–7 МПа в зависимости от условий буре-

íèÿ vì может уменьшаться в 2–5 раз.

Влияние ∆p íà vì, по мнению А.Ж. Гарнье и Н.Х. Ван-Лингена, заклю- чается в ухудшении буримости горных пород вследствие роста их прочности на сжатие и возникновения усилий, прижимающих частицы породы (шлам) к забою. Прижимающие силы имеют статическую и динамическую природу, и их значения представляют собой сложную функцию почти всех известных показателей, характеризующих процесс бурения.

Статическое, или дифференциальное по современной терминологии, давление, обусловливающее наличие статических сил, которые удерживают шлам на забое, независимо от фильтрационных свойств разрушаемых пород, принимали равным разности между гидростатическим давлением на забое скважины pñ и поровым pï (пластовым pïë) давлением:

240

Отметим, что в опытах А.Ж. Гарнье и Н.Х. Ван-Лингена можно было воспроизвести только пластовое давление, поэтому в выражение (8.6) необходимо подставлять значение pïë.

Не рассматривая процесс развития трещин, формирующих лунки выкола породы на забое, эти авторы считали, что динамический перепад давления проявляется только после отделения частицы от массива перед транспортированием ее на поверхность. Динамический перепад давления определяли экспериментально, и, по утверждению исследователей, во всех опытах он не превысил 4,3 МПа.

Независимо от качества бурового раствора А.Ж. Гарнье и Н.Х. ВанЛинген приращение прочности принимали равным пятикратно увеличенному суммарному перепаду давления. Влияния абсолютного значения гидростатического давления на vì не обнаружено.

Следует отметить, что утверждение упомянутых авторов о природе влияния абсолютных значений гидростатического и дифференциального давлений на vì базируются на данных опытного бурения микродолотами в лабораторных условиях при несоблюдении гидродинамического подобия в зоне разрушения, а также геометрического подобия породоразрушающих элементов модели и натуры.

В процессе бурения в проницаемых горных породах под действием положительного перепада давления (pñ > pïë) в системе скважина – пласт фильтрат бурового раствора проникает в породу. При фильтровании дисперсная фаза раствора, частично кольматируя слой породы, откладывается на ее поверхности в виде слоя осадка, образуя фильтрационную корку, которая совместно с породой оказывает дополнительное сопротивление движению фильтрата. Последний, проникая в породу, вызывает перераспределение давления на глубине зарождения трещин (условно названных магистральными), формирующих лунку выкола. В дальнейшем изложении она именуется глубиной разрушения δî. В результате по трассе магистральной трещины будет действовать не пластовое, а иное давление, равное давлению на глубине разрушения pð. Поскольку pc > pð, возникает дифференциальное давление

При разрушении непроницаемых горных пород давление на глубине разрушения pð равно поровому (ðð = ðï), и выражение (8.7) становится идентичным (8.6), т.е. является частным случаем и правомерно только при определении ∆p для непроницаемых горных пород.

В процессе развития магистральной трещины начальное давление в ее полости ðò практически равно нулю. Так как ðñ > ðò, то над частицей по длине l возникает динамический перепад давления, который прижимает частицу к массиву породы, т.е. угнетает ее. Во избежание путаницы в отличие от дифференциального давления этот перепад давления предложено называть угнетающим давлением ðó. В общем случае под угнетающим давлением ðó в отличие от представлений о динамическом перепаде давления понимают разность между суммарным давлением на забое ðñ и давлением в трещине:

ãäå θ = ðò/ðð – коэффициент восстановления давления в полости трещины.

241

Для заполнения полости трещины жидкостью и восстановления в ней давления нужно определенное время, поэтому в зависимости от времени контакта зуба долота с породой τê значения ðò и, как следствие, ðó будут различными. Если τê меньше времени заполнения tç объема трещины флюидом, то ðò → 0 и в соответствии с выражением (8.8) ðó ≈ ðñ. Ïðè τê, превышающем сумму времени tc = tç + tâ, ãäå tâ – время восстановления давления в трещине до уровня давления жидкости на глубине разрушения ðð, давление в трещине ðò ≈ ðð, à ðó ≈ ðñ – ðð, ò.å. ðó равно дифференциальному давлению. В общем случае с учетом τê имеем

Следовательно, угнетающее давление в зависимости от условий разрушения проницаемых пород может изменяться в диапазоне значений от дифференциального давления до давления на забое скважины ðñ. При разрушении непроницаемых горных пород диапазон изменения ðó несколько меньше.

Кроме того, следует отметить, что в настоящее время практически без дополнительных материальных затрат за счет внедрения гидродинамиче- ских способов воздействия на процесс разрушения горных пород на забое можно существенно повысить технико-экономические показатели бурения скважин.

В.С. Федоров полагал, что в роторном бурении при использовании лопастных долот зависимость vì от количества Q закачиваемой в скважину жидкости имеет вид

ãäå à è b – некоторые постоянные коэффициенты, зависящие от физикомеханических свойств пород, качества бурового раствора, размеров кольцевого пространства и режимных параметров бурения.

Установлено, что имеется технологически разумный предел подачи, после которого ее повышение не приводит к заметному росту механиче- ской скорости проходки и проходки на долото.

Схема промывки забоя 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. Эти особенности обусловлены схемой равномерной промывки забоя. На основании этого была предложена асимметричная схема промывки забоя с блуждающим клапаном, последовательно перекрывающим одну из насадок долота (В.Г. Колесников, Э.А. Ахметшин, М.Г. Чудновский и др.). В результате эффективность долот повысилась: скорость проходки увеличилась на 19 %, проходка на долото – на 12 %, при этом был устранен неравномерный износ узлов долота.

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. В.С. Федоров и В.С. Завьялов, пользуясь приближенным методом, установили, что для полного удаления выбуренной породы с забоя между величинами Q è D должно существовать соотношение

242

ãäå Fñð – средняя площадь сечения, по которому движется восходящий поток жидкости в области возможного захвата зубцами шарошек поднимающихся частиц; D – диаметр долота; lø – число шарошек; β – угол между осями долота и шарошки.

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. 8.2). 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 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 è vì.

В.С. Федоров, В.Ф. Дудин и Ф.Д. Зенков, рассматривая погружение рабочих элементов долота в породу как движение твердого тела в сопротивляющейся среде, установили, что углубление долота за один оборот можно выразить в зависимости от частоты вращения в следующем виде:

ãäå B = 0,09.

Механическая скорость проходки может быть выражена формулой

Рис. 8.2. Зависимость механической скорости проходки от гидравлической мощности, срабатываемой на долоте (1), и скорости истечения раствора из насадок (2)

243

ãäå À = 55 10–1pä; pä – удельная нагрузка на долото, Н/м.

Графическое изображение зависимости vì = f(n) свидетельствует о наличии критического значения n, при котором vì = vì max. Например, для мрамора nêð = 100 ìèí–1. С увеличением твердости и хрупкости породы nêð возрастает.

Значение nvì выше при больших нагрузках на долото (рис. 8.3). Далее критическую частоту вращения долота будем обозначать: для

механической скорости проходки – nvì, рейсовой скорости – nvð è

проходки на долото nh.

Формула (8.12) соответствует бурению с объемным разрушением породы.

При бурении турбобуром в мягких глинистых породах значения частоты вращения должны быть понижены. В хрупких и пластично-хрупких по-

родах скорость проходки vì – возрастающая функция даже при увеличе- нии n > 800 ìèí–1.

Уменьшение углубления за один оборот δn с ростом n обусловливается тем, что с увеличением n снижается продолжительность τ контакта зубцов шарошки с породой.

Связь между n и τ выражается (в с) в виде

ãäå dø/D – отношение диаметров шарошки и долотах; z – число зубцов на наибольшем венце шарошки.

Из соотношения (8.13) следует, что τ зависит не только от n, но и от диаметров долота и шарошек.

Очевидно, при прочих равных условиях, чем больше z (меньше шаг), тем меньше nvì и, наоборот, чем меньше dø/D, òåì âûøå nvì. Следователь-

но, значение nvì зависит и от размеров долота.

Зависимость vì = f(n) (8.12) относится к случаям объемного разрушения породы. Если бурят при сравнительно малых осевых нагрузках на долото, то при взаимодействии долота с породой наблюдается разрушение

Рис. 8.3. Зависимость vì îò pä è n (pä1 <

< pä2 < pä3):

1 – vì = f (pä1, ni); 2 – vì = f (pä2, ni); 3 – vì = f (pä3, ni)

244

последней истиранием (поверхностное разрушение). В этом случае δï = = δ0 = const, а следовательно, vì = nδ0.

Имея в виду, что на практике наблюдается и объемное разрушение, и разрушение пород истиранием, зависимость vì = f(n) в общем виде можно представить так, как это показано на рис. 8.4.

В процессе бурения механическая скорость проходки уменьшается при условии, что процесс ведется при p = const è n = const. В этом случае снижение механической скорости проходки обусловливается только износом зубцов.

Относительное уменьшение механической скорости проходки происходит пропорционально времени бурения tá и обратно пропорционально коэффициенту износа θt:

dvì/vì = – dtá/θt.

Коэффициент износа представляет собой логарифмический декремент убывания механической скорости проходки, равный времени, в течение которого vì уменьшается в е раз (е – основание натурального логарифма).

Интегрируя это уравнение, получают

На основании опытных данных А.А. Минина и А.А. Погарского можно считать, что 1/θt изменяется приблизительно пропорционально изменению нагрузки на долото; с изменением частоты вращения отношение 1/θt увеличивается быстрее, чем растет n, особенно при больших его значениях.

Данные свидетельствуют, что и для проходки на долото существует критическое значение n, при этом оно меньше, чем для механической скорости проходки.

Рейсовая скорость проходки

Рис. 8.4. Зависимость vì îò n при поверхностном (1) и объемном (2) разрушении породы

245

Äëÿ vð также существует критическое значение n, оно меньше соответствующего значения для vì и больше, чем для h:

nvì > nvp > nh.

ОСЕВАЯ НАГРУЗКА НА ДОЛОТО

При прочих равных условиях в зависимости от Pä может происходить разрушение породы либо поверхностное, либо объемное.

Объемное разрушение может наблюдаться после однократного воздействия на нее зубцов шарошек или после многих воздействий. Первые наиболее полные исследования и обобщения выполнил В.С. Федоров.

Влияние осевой нагрузки Pä на показатели бурения очень велико. Опытами установлено, что зависимость vì = f(Pä) весьма сложная (рис. 8.5).

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. 8.5 кривая 1, соответствующая бурению при совершенной очистке забоя скважины, имеет три участка – Îà, ab è bc, из которых Îà характеризует поверхностные разрушения породы, ab è bc соответствуют объемному разрушению. Но характер кривой участка ab зависит только от особенностей разрушения, а кривой участка bc – от особенностей разрушения и глубины погружения рабочих элементов долота, в частности при бурении шарошечными долотами, имеющими ограниченную высоту зубцов шарошек.

Экстремальное значение функции vì = f(Ðä) обусловливается ограни- ченной высотой зубцов.

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

Кривая 2 на рис. 8.5 соответствует так называемому нормальному положению на забое скважины, когда зашламление (по высоте) не превышает

Рис. 8.5. Кривые изменения механической скорости проходки vì в зависимости от осевой нагрузки Pд

246

1/6–1/4 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 достигается максимум vì как функции Pä и тем меньше значение этого максимума.

При высокой частоте вращения долота максимум для vì = f(Pä) наступает при больших значениях Pä, чем при низкой частоте. Отрицательное влияние наличия шлама на vì при более высоком n значительнее, чем при более низком.

Осевая нагрузка, при которой vì достигает максимума, называется критической Рêð. Иногда с ростом осевой нагрузки на долото механическая скорость проходки не увеличивается, а значительно снижается. Это относится к тем случаям, когда к моменту увеличения Pä бурят при Pä ≥ Pêð.

Долговечность шарошечных долот изменяется обратно пропорционально Pä в степени y = 0,40ч0,45. Вероятно, показатель степени зависит от погружения зубцов шарошки. Когда зубцы не погружены в породу, Pä влияет на разрушение долота больше, чем при погружении зубцов в породу.

С увеличением Pä растут vì è h. Следовательно, сокращается время на бурение скважины и спускоподъемные операции (в результате уменьшения числа этих операций, числа замен долота). С ростом Pä увеличивается и рейсовая скорость проходки vð.

При увеличении n механическая скорость возрастает, но проходка на долото уменьшается. Следовательно, в этом случае общая продолжительность спускоподъемных операций возрастает.

Для проходки на долото h и рейсовой скорости проходки vð также имеются критические значения осевой нагрузки Pä, которые обозначим

соответственно Pävð è Päh. Между этими критическими значениями существуют соотношения

Pävì > Pävð, Pävì > Päh, Pävð ≥ Päh.

Значение показателей степени при Pä колеблется в пределах 1,1–1,5; чаще y = 1,1.

Если диапазон изменения n è Pä сравнительно невелик, то можно пользоваться формулой

vì1 = n1Pä1 . vì2 n2Pä2

В зарубежной нефтегазовой промышленности отсутствуют единые твердо установленные и обоснованные параметры режима бурения, которые рекомендовались бы для разбуривания пород с разными механическими свойствами. Для каждого района имеются параметры режима бурения, которые считаются наилучшими.

Большинство фирм, как тех, которые ведут бурение на промыслах, так и тех, которые выпускают долота, рекомендуют бурить при высоких нагрузках из расчета 1–3 m на 1′′ диаметра долота, при больших количествах бурового раствора, обеспечивающих скорость восходящего потока в кольцевом пространстве 0,7–1,2 м/с, при относительно низкой частоте вращения ротора (долота) в пределах 150–200 мин–1, íî íå âûøå 300 ìèí–1.

247