16. Понятие о режиме бурения.

Режим бурения – это совокупность регулируемых параметров, влияющих на качество бурения. К числу этих параметров относятся: осевая нагрузка на долото P_д; частота вращения долота n; расход Q и параметры (плотность ρ, вязкость μ и статическое напряжение сдвига τ_о ) прокачиваемого бурового раствора. Режим бурения называется оптимальным, если сочетание названных параметров обеспечивает высокие качественные и количественные показатели бурения.

В настоящее время наиболее широко используются три способа бурения: роторное, бурение гидравлическими забойными двигателями и бурение электробурами. Выбор способа бурения определяется геолого-техническими условиями и традициями. В США, например, основные объемы бурения на нефть и газ осуществляются роторным способом или с помощью винтовых забойных двигателей. В России основные объемы бурения осуществляются турбобурами, на роторное бурение приходится около 10%.

В качестве критериев оценки при сравнении различных способов бурения используют рейсовую и коммерческую скорости проходки, а также эффективные затраты на один метр проходки.

Наилучшие результаты работы долота достигаются при своевременном удалении с забоя выбуренной породы, когда долото работает в условиях чистого забоя. Чистота забоя во многом зависит от качества раствора.

Очистка скважины от мелкого шлама хорошо обеспечивается глинистыми растворами с малой вязкостью. Крупные куски шлама лучше удаляются высоковязкими растворами. Увеличение плотности увеличивает транспортирующую способность глинистых растворов, но показатели бурения при этом уменьшаются. По этой причине в любом удобном случае следует использовать в качестве промывочной жидкости воду или воздух с обязательной компенсацией их малой «подъемной способности» высокой скоростью движения в затрубном пространстве.

При средних значениях механической скорости бурения примерный расход промывочной жидкости может быть определен из следующей экспериментальной зависимости

Q = 0,07 S, л/с, (23.1)

где S – площадь забоя скважины, см².

В большинстве случаев минимальная скорость восходящего потока бурового раствора в кольцевом пространстве принимается в пределах от 0,4 до 0, 6 м/с. Назначать производительность насосов (расход промывочной жидкости) выше некоторого оптимального значения не следует, так как это лишь увеличит энергозатраты, но не увеличит механическую скорость проходки.

Значительный рост скорости проходки достигается при скорости струй, вытекающих из насадок гидромониторного долота, превышающей 60 м/с. Большое влияние на условия очистки забоя оказывает высота зубьев шарошек. Чем больше просвет между шарошками и забоем, тем совершеннее его очистка и выше проходка за один оборот долота. При бурении алмазными долотами, в которых алмазы выступают за матрицу на незначительную высоту, условия для очистки забоя менее удобные.

При выборе диаметра УБТ необходимо соблюдать рациональное соотношение диаметров долота, УБТ и бурильных труб, обеспечивающее минимум гидравлических сопротивлений при промывке скважины. Например, диаметру долота 295 мм соответствуют рациональные диаметры УБТ 203 мм и бурильных труб 168 мм.

С увеличением осевой нагрузки на долото до некоторого значения механическая скорость проходки увеличивается. При бурении осевая нагрузка на долото создается частью веса УБТ. Важно использовать УБТ такой длины, чтобы при передаче достаточного усилия на долото нейтральное сечение находилось в интервале их установки.

При малых удельных нагрузках разрушение пород носит поверхностный характер. При удельных нагрузках, соизмеримых и превосходящих значение твердости породы, процесс разрушения носит объемный характер. С учетом твердости пород по штампу p_ш минимальная осевая нагрузка на шарошечное долото, обеспечивающая объемное разрушение, примерно может быть определена по формуле

P_д = 0,6 p_ш S_к, (23.2)

где S_к – площадь контакта зубьев долота с забоем.

Для каждого типа долота и режима бурения существует верхний уровень осевых нагрузок, превышать которые не следует. Этот уровень нагрузок лимитируется прочностью вооружения долота и подшипников. Для шарошечных долот диаметром более 190 мм удельная нагрузка может изменяться от 0,2 кН/мм для мягких пород до 1,5 кН/мм для крепких пород.

Рекомендуемая удельная нагрузка на лопастное долото 0,1–0,4 кН на миллиметр диаметра скважины. Для алмазных долот сплошного бурения оптимальной считается такая нагрузка, при которой алмазы внедряются в породу на величину их обнажения. Удельная нагрузка на алмазное долото может изменяться от минимальной 0,12 кН/мм до максимальной 0,68 кН/мм диаметра скважины.

При увеличении частоты вращения долота до некоторого критического значения механическая скорость проходки растет. Превышение критической частоты вращения вызывает снижение скорости проходки. Каждому классу пород соответствуют свои оптимальные значения частоты вращения долота. Чрезмерная частота вращения снижает долговечность долота из-за интенсивного износа его элементов и тем самым сокращает проходку за рейс. Увеличенная частота вращения оправдывает себя в случае надежной стабилизации бурильной колонны с помощью стабилизаторов и поглощения вибраций наддолотными амортизаторами.

С ростом глубины скважины повышается давление всестороннего сжатия и в большей степени проявляются пластические свойства пород. В таком случае горным породам требуется сообщить большие деформации до их разрушения и, соответственно, большая длительность контакта зубьев долота с забоем. Это обстоятельство обусловливает необходимость снижения частоты вращения с ростом глубины скважины. Другая причина необходимости снижения частоты вращения долота заключается в том, что с увеличением глубины быстро увеличиваются потери на трение бурильной колонны о стенки скважины.

При роторном бурении параметры режима не зависят друг от друга, поэтому их можно устанавливать произвольно в любых комбинациях. При бурении гидравлическими забойными двигателями число оборотов долота зависит от расхода прокачиваемой жидкости и величины осевой нагрузки на долото. При турбинном бурении практически можно управлять только осевой нагрузкой на долото, которая определяется так же, как и при роторном бурении.