Влияние параметров режима бурения на механическую скорость проходки нового долота

Механическая скорость проходки — функция многих переменных

где d_д — диаметр долота.

Рассмотрим сначала, как влияют параметры режима бурения на механическую скорость проходки шарошечных долот при прочих равных условиях в тот начальный период работы, пока износ вооружения и опор не отразился сколько-нибудь заметно на эффективности разрушения породы.

Механическую скорость проходки в начальный период работы долота можно представить в виде произведения углубления δ_у забоя за один его оборот и частоты вращения n_д:

Величина углубления δ_у зависит от осевой нагрузки, частоты вращения долота, чистоты забоя, конструктивных особенностей долота, свойств промывочной жидкости, соотношения забойного давления столба последней и перового давления в породе, механических свойств породы и некоторых других факторов. При неизменных Р_д, Q, соотношении давлений, свойствах жидкости с увеличением частоты вращения шарошечного долота данной конструкции величина углубления может постепенно уменьшаться. Объясняется это в основном ухудшением условий очистки забоя и удаления частиц разрушенной породы с поверхности забоя в наддолотную зону

Если же частота вращения долота возрастает, увеличивается вероятность того, что частицы, оторванные от забоя зубцами одной шарошки, не успеют полностью пройти в наддолотную зону; часть из них попадет в нисходящий поток, создаваемый смежной набегающей шарошкой, и возвратится на забой для повторного измельчения. Чем больше частота вращения долота, тем меньше времени для транспортировки оторванных от забоя частиц в наддолотную зону, тем больше вероятность возвращения части из них к забою с нисходящим потоком от набегающей шарошки.

Если же долото имеет симметрично расположенные промывочные устройства, направляющие струи вниз между шарошками, то такие струи создают дополнительные трудности для удаления частиц в наддолотную зону. Кроме того, на частицу породы в момент ее образования при вдавливании зубца шарошки действуют: сверху — сила забойного давления столба промывочной жидкости, направленная вниз, а снизу—сила порового давления пластовой жидкости, направленная вверх. Сумма этих сил, обычно именуемая прижимающей силой, в подавляющем большинстве случаев направлена вниз; она препятствует отрыву частицы от забоя. Отрыву препятствует также фильтрационная корка (или пленка) промывочной жидкости, почти всегда образующаяся на поверхности забоя.

Осн: 1[113-125]

Доп:

Контрольные вопросы:

1. Что понимается под режимом бурения?

2. Назовите основные показатели работы долота.

3)Как влияют параметры режима бурения на показатели работы долота?

4) Расскажите об особенностях режима бурения роторным способом.

Тема № 6. Промывка скважины и промывочные жидкости

Лекция № 2. Функции промывочной жидкости и требование к ней. Классификация промывочных жидкостей. Основные свойства промывочных жидкостей. Основные виды промывочных жидкостей на водной основе. Промывочные жидкости на углеводородной основе. Приготовление промывочной жидкости. Очистка от выбуренных пород и дегазация промывочной жидкости.

При бурении скважин в сложных горно-геологических условиях промывочные жидкости должны выполнять следующие основные функции:

1) полностью очищать забой от частиц разбуриваемых пород и удалять их на дневную поверхность;

2) создавать давление, достаточное для предотвращения притока пластовых жидкостей и газов в скважину как в период бурения, так и при продолжительном прекращении промывки;

3) удерживать частицы разрушенных или осыпавшихся пород и иные частицы твердой фазы во взвешенном состоянии при прекращении промывки и предотвращать осаждение их на забой;

4) интенсивно охлаждать и хорошо смазывать трущиеся поверхности долот, забойных двигателей, бурильной колонны и других узлов оборудования;

5) препятствовать проявлениям неустойчивости пород стенок скважины;

6) передавать мощность от источника на дневной поверхности к забою;

7) способствовать сохранению естественных коллекторских свойств продуктивных пластов в приствольной зоне скважины

Удовлетворительно выполнить эти функции может лишь достаточно сложная по составу жидкость. Она должна:

а) обладать тиксотропными свойствами: быть легко подвижной во время промывки скважины, но быстро переходить в гелеобразное состояние, как только прекращается ее прокачивание;

б) быть достаточно инертной по отношению к горным породам: не растворять их, не способствовать пептизации выбуренных частиц, не снижать прочность стенок скважины;

в) допускать регулирование плотности в достаточно широком диапазоне;

г) кольматировать поры и трещины в стенках скважины, создавать в них тонкую, практически непроницаемую корку, которая предотвращала бы проникновение как самой жидкости, так и ее дисперсионной среды в продуктивные пласты;

д) быть малочувствительной к воздействию разбуриваемых пород и пластовых жидкостей, но легко поддаваться обработке с целью изменения свойств в нужном направлении при добавлении малых количеств специальных химических веществ;

е) сохранять стабильность свойств в широком диапазоне изменения температур;

ж) обладать хорошей смазочной способностью и теплофизическими свойствами, достаточными для отвода тепла от трущихся поверхностей (а при бурении в многолетнемерзлых породах — малой теплоемкостью и небольшой теплопроводностью для предотвращения их растепления);

з) нейтрализовать те компоненты разбуриваемых пород и пластовых жидкостей, которые могут вызвать коррозию труб и оборудования пли быть сильно токсичными;

и) допускать проведение геофизических исследований в скважине;

к) содержать в основном недефицитные и недорогие материалы.

Классификация промывочных жидкостей

Промывочная жидкость, как правило, состоит из сплошной, дисперсионной среды, равномерно распределенной в ней дисперсной фазы и небольших количеств химических реагентов, служащих для регулирования тех или иных свойств.

По составу дисперсионной среды промывочные жидкости можно подразделить на три группы жидкости на водной основе; жидкости на углеводородной основе, газы и газожидкостные смеси. Каждую из групп, в свою очередь, можно подразделить на подгруппы и виды в зависимости от состава дисперсной фазы, способа получения ее коллоидной фракции, состава химических веществ, используемых для обработки жидкости, и т. д. (рис. 5.1).

Промывочные жидкости на водной основе могут быть как неэмульгированными, так и эмульсиями типа «масло в воде». В последнем случае их называют нефтеэмульсионными.

Плотность — это масса единицы объема. Она влияет на давление, которое столб жидкости создает на стенки скважины, а также на гидравлические потери при турбулентном течении. На буровых плотность промывочной жидкости измеряют с помощью рычажных весов или ареометра. В стакан 3 ареометра (рис. 52) наливают промывочную жидкость так, чтобы уровень ее оказался у сливных отверстий; стакан соединяют с поплавком 2; ареометр обмывают чистой водой и опускают в сосуд 4 с чистой пресной водой. По отметке шкалы 1 против уровня воды определяют относительную плотность

где ρ_п — плотность промывочной жидкости, кг/м³; плотность пресной воды ρ_в = 1000 кг/м³.

Вязкость. Для оперативной качественной оценки подвижности промывочной жидкости на буровой используют очень простой воронкообразный прибор — полевой вискозиметр ПВ-5 (рис.5.3)Измеренную таким прибором величину называют условной вязкостью УВ. Под условной вязкостью понимают продолжительность истечения 500 см³ тщательно перемешанной промывочной жидкости через калиброванную трубку с внутренним диаметром 5 мм и длиной 100 мм прибора ПВ-5, в который налито 700 см³ ее. При комнатной температуре 500 см³ чистой пресной воды вытекают из прибора за 15 с. Чем больше условная вязкость, тем труднее прокачивать промывочную жидкость и удалять из нее частицы разбуренной породы и газа.

Рис.5.1. Классификация промывочных жидкостей

.Тиксотропные свойства. Тиксотропией называют способность суспензии застудневать в покое и вновь превращаться в легко подвижную жидкость при перемешивании. Прочность образующейся в суспензии в покое структуры принято называть статическим напряжением сдвига (СНС). СНС— это то напряжение, которое нужно создать, чтобы разрушить структуру и восстановить текучесть системы.

В покое прочность структуры растет во времени, асимптотически приближаясь к верхнему пределу. В бурении принято характеризовать промывочную жидкость двумя значениями статического напряжения сдвига: начальным θι, которое измеряют спустя 1 мин покоя после интенсивного перемешивания, и вторым θιο, которое измеряют после 10-мин покоя. Измеряют статическое напряжение сдвига с помощью ротационного прибора, при частоте вращения наружного цилиндра 0,2 об/мин:

Рис 5.2. Ареометр

Рис 5.3.Воронкообразный вискозиметр ПВ 5 а — вискозиметр, б — мерная кружка, 1 — объем 200 см3, 2 — объем 500 см3

где φ₁ — показание по шкале прибора в момент разрушения структуры, градус; φ₀ — начальное показание прибора перед наливом промывочной жидкости в стакан, градус; K_ф— постоянная прибора, Па/градус.

О степени тиксотропности можно судить по разности θ₁₀—θ₁: чем больше эта разность, тем тиксотропнее суспензия. Для бурения в большинстве случаев желательно применять малотиксотропные жидкости, в которых θ₁ достаточно для удержания во взвешенном состоянии в покое тяжелых твердых частиц, в том числе частиц разбуренных пород.

Фильтрационные свойства. В любой промывочной жидкости всегда содержится значительное количество свободной дисперсионной среды, которая ни физически, ни химически не связана с дисперсной фазой. Если такая жидкость вступает в контакт с проницаемой породой, а давление в скважине больше пластового в породе, промывочная жидкость стремится проникнуть по поровым каналам и трещинам в глубь породы. Так как размеры основной массы частиц дисперсной фазы близки к размерам поровых каналов или превышают их, большинство частиц задерживается на поверхности проницаемой породы или проникает в последнюю на несколько миллиметров; в глубь же породы проникает часть свободной дисперсионной среды и небольшое количество самых тонкодисперсных частиц твердой фазы. Из частиц дисперсной фазы, задержавшихся на поверхности проницаемой породы, формируется фильтрационная корка. Обычно фильтрационные свойства измеряют в статических (т. е. без перемешивания жидкости) условиях в специальных фильтр-прессах.

Рис 5.5 Прибор ВМ 6 для измерения водооотдачи при обычной температуре

Простейший из них показан на рис. 7.6. В стакан 5 с решеткой 4, на которую предварительно положен стандартный фильтр 3, плотно закрытый обрезиненным клапаном 2, наливают доверху промывочную жидкость 6; на стакан навинчивают пустотелый цилиндр 8, который частично заполняют машинным маслом; в цилиндр вставляют плунжер 10 с грузом 9 и шкалой и регулируют его положение так, чтобы нулевое деление шкалы совпало с отсчетной риской на верхнем конце цилиндра 8, осторожно выпуская для этого избыток масла через игольчатый вентиль 7. В момент установки плунжера в нулевое положение игольчатый вентиль закрывают, затем поворотом винта / открывают клапан 2 и одновременно включают секундомер. По шкале прибора фиксируют объем фильтрата, выделившегося в чашечку 11 за разные промежутки времени от начала измерения: через 1, 2, 5, 10 и 30 мин. По результатам измерения строят кривую в координатах «объем фильтрата в см³ — квадратный корень из времени от начала измерения». Прямолинейный участок этой кривой экстраполируют до пересечения с осью «объем фильтрата».

Одна из характеристик фильтрационных свойств — объем фильтрата, выделившегося за 30 мин измерения через стандартный фильтр при определенном перепаде давлений. Эту характеристику называют показателем фильтратоотдачи Ф₃₀ (в случае жидкостей на водной основе — просто водоотдачей).Принято использовать бумажные фильтры диаметром 75 мм, перепад давлений на фильтр равен 0,1 МПа.

Вторая характеристика — показатель мгновенной фильтратоотдачи Ф₀; ему соответствует точка пересечения прямолинейного участка построенной кривой с осью «объем фильтрата».

Третьей характеристикой служит толщина корки, отложившейся на фильтре за 30 мин измерения. Чем тоньше корка, тем меньше ее проницаемость и лучше коркообразующая способность. Показатель Ф₃₀ косвенно характеризует проницаемость корки· чем меньше Ф₃₀, тем меньше проницаемость.

Водородный показатель рН — эго логарифм концентрации водородных ионов в фильтрате промывочной жидкости, взятый с противоположным знаком. Водородный показатель электрически нейтральной среды рН=7, щелочной среды 7<рН≤14, кислой рН<7. Водородный показатель имеет весьма важное значение для оценки качества промывочных жидкостей на водной основе. Так, некоторые виды химически обработанных жидкостей стабильны лишь в определенном диапазоне рН. При рН<7 существенно интенсифицируется коррозия стальных труб, а при рН³10 — труб из алюминиевых сплавов. Термостабильность высокомолекулярных реагентов значительно возрастает, если поддерживают оптимальное значение рН среды. По изменению рН промывочной жидкости можно судить о притоке в скважину минерализованных вод, вскрытии хемогенных пород, а иногда — о возникновении осложнений.

Седиментационная устойчивость. О ней обычно судят по двумпоказателям. Один — суточный отстой, т. е. объем дисперсионной среды, выделившейся за 1 с

Основные виды промывочных жидкостей на водной основе

Вода. Простейший вид промывочной жидкости — вода. Она может успешно удалять с забоя и из ствола скважины частицы разбуренных пород, интенсивно охлаждать трущиеся поверхности, передавать гидравлическую мощность от насосов на дневной поверхности к забою, создавать на стенки скважины противодавление, достаточное для предотвращения притока пластовых жидкостей и газов из объектов с нормальным коэффициентом аномальности

Жидкости с диспергируемой твердой фазой. Наиболее доступными и дешевыми источниками коллоидной фазы являются бентонитовые, суббентонитовые и палыгорскитовые глины, обладающие большой дисперсностью

Суспензии с конденсируемой твердой фазой. Такие суспензии получают из водных растворов ряда солей (NaCl, KC1, MgCl₂, CaS0₄ и др.) при добавлении NaOH либо Са(ОН)₂ и небольшого количества органического реагента (крахмал, лигносульфонаты, эфиры целлюлозы и др.), а часто также асбеста. Наиболее распространены суспензии на базе MgCb, именуемые обычно гидрогелем магния

Полимерные недиспергирующие жидкости. Основу такой жидкости составляет водный раствор одного или двух высокомолекулярных полимеров. Полимеры предназначены для уменьшения водоотдачи, предотвращения диспергирования частиц разбуренных кальциевых глин и других пород, флокуляции их и улучшения реологических свойств жидкости

Нефтеэмульсионные жидкости. Их получают добавлением к промывочной жидкости на водной основе от 8 до 15 % по объему нефти или нефтепродукта и прокачиванием в течение нескольких циклов циркуляции через циркуляционную систему

Промывочные жидкости на углеводородной основе

Промывочные жидкости на углеводородной основе представляют собой сложную многокомпонентную коллоидно-химическую систему, дисперсионной средой в которой служат жидкие углеводороды, а дисперсной фазой — вода и твердые компоненты. Их можно подразделить на два вида: практически безводные жидкости и инвертные эмульсии.

Из практически безводных наиболее перспективны известково-битумные суспензии, в состав которых в качестве дисперсионной среды входит дизельное топливо, в качестве дисперсной фазы — высокоокисленный битум, утяжелитель, небольшое количество минерализованной воды, высокоактивный оксид кальция (так называемые известково-битумные растворы ИБР) либо гидрофобизированный коротковолокнистый асбест (так называемые асбесто-битумные растворы АБР).

Свойства битумных суспензий существенно зависят от химического состава дизельного топлива и состава битума.

Стабильность практически безводных суспензий на углеводородной основе существенно зависит от содержания воды: некоторые из них расслаиваются уже при попадании 8—10 % воды, другие же стабильны при поступлении до 15% воды. В инвертных эмульсиях дисперсионной средой является нефтепродукт, а дисперсной фазой — вода, которая в виде тонкодиспергированных глобул распределена равномерно во всем объеме нефтепродукта, и частицы твердых материалов, вводимых для увеличения плотности и, частично, для стабильности системы. Для того чтобы эмульсия, образовавшаяся в процессе тщательного перемешивания названных компонентов, в покое не расслаивалась на нефтяную и водную фазы, ее стабилизируют вводом ПАВ-эмульгатора. В качестве эмульгатора используют железные мыла окисленного петролатума, кальциевые мыла жирных кислот и другие ПАВ.

Промывочные жидкости на углеводородной основе, водная фаза которых полностью насыщена соответствующей солью, не растворяют хемогенные породы, не оказывают отрицательное влияние на устойчивость пород и не способствуют диспергированию частиц разбуренных пород.

Поскольку в инвертной эмульсии содержится, как правило, не более 30 % по объему жидких углеводородов, стоимость ее значительно ниже стоимости практически безводных суспензий.