Проектирование режима бурения - Бурение нефтяных и газовых скважин

Под режимом бурения понимается совокупность управляемых с поверхности факторов, обеспечивающих достижение наилучших показателей бурения и высокой эффективности работы долота.

К этим факторам относятся:

    1. Частота вращения долота. 2. Нагрузка на долото. 3. Количество и качество промывочной жидкости.

На эффективность работы долота влияют следующие показатели:

    1. Механическая скорость бурения 2. Проходка на долото. 3. Рейсовая скорость.

Частота вращения долота.

Механическая скорость бурения определяется не только силовым

Воздействием на горную породу, но и скоростью взаимодействия вооружения долота, с забоем скважины. В ходе перекатывания шарошки по забою, частота вращения долота определяет время контактирования зуба с горной породой и кинематическое воздействие на частицы разрушенной породы. Эти два фактора конечном счете создают предпосылки для формирования интенсивности углубления забоя скважины.

Опыт бурения показывает, что частота вращения долота определяет интенсивность изнашивания, как вооружения шарошек, так и опорных элементов долота. Установлено, что при турбинном бурении, где частота вращения долота превышает 600--700 об/мин, стойкость долота на порядок ниже, чем при бурении роторным способом со скоростью 50--100об/мин. Поэтому при выборе частоты вращения долота необходимо учитывать как эффективность процесса бурения, так и стойкостные качества породоразрушающего инструмента. В нашей стране до настоящего времени турбинный способ бурения является основным, Этот способ оказался чрезвычайно эффективным при разбуривании нефтяных площадей Урало-Поволжья и Западной Сибири, где нефтяные пласты залегают на малых и средних глубинах. В этом случае реализуется преимущество турбинного, способа бурения, характеризующееся высокими механическими скоростями при повышенных частотах вращения долота. Небольшие затраты времени на спускоподъемные операции позволяют получить высокие рейсовые скорости, определяющие стоимость буровых работ.

В то же время в глубоком бурении турбинный способ не дает желаемой эффективности проводки скважин. Попытки повысить проходку на долото регулированием подачи бурового раствора, а, следовательно, частоты вращения вала турбобура не дали желаемых результатов. Снижение подачи бурового раствора в турбобур не приводит к устойчивой работе турбины в области низких скоростей, так как частота вращения пропорциональна расходу промывочной жидкости, а крутящий момент пропорционален квадрату расхода. Снижение подачи жидкости приводит к резкому падению момента и, следовательно, восприимчивости двигателя к осевым нагрузкам, В результате осуществление низкооборотного бурения турбинным способом затруднено. Создание и внедрение низкооборотных забойных двигателей показало, что их применение экономически целесообразно только в ограниченных условиях бурения, определяемых соотношением механической скорости и проходки на долото. Например, в условиях Татарии экономически оправдан переход на бурение винтовыми забойными двигателями с глубины 1400--1500 м. Подобная практика наблюдается и в Башкирии. Создание долот с герметизированными маслонаполненными опорами расширило область применения низкооборотного бурения, так как повышение стойкости долот позволило значительно увеличить длительность рейса. В результате стоимость бурения 1 м скважины была снижена практически во всех нефтяных районах нашей страны.

В настоящее время в ряде нефтяных районов не определены рациональные области применения высокооборотных и низкооборотных забойных двигателей, а также экономически обоснованные условия применения роторного способа бурения. Поэтому необходимо для выбора рациональной частоты вращения долота использовать следующие рекомендации.

В очень твердых карбонатных породах, обладающих невысокой абразивностью, при уменьшении частоты вращения от 600 до 60 об/мин проходка за рейс увеличивается в 1,5--2 раза, а механическая скорость падает в 3--4 раза. Следовательно, снижение частоты вращения в подобных условиях приведет к росту стоимости бурения скважин.

В карбонатных малоабразивных породах средней твердости изменение частоты вращения в тех же пределах приводит к росту проходки на долото в 3 раза при таком же снижении механической скорости бурения. В таких случаях изменение проходки за рейс подчиняется гиперболической закономерности и рекомендуемая частота вращения долот с изменением глубины скважины и продолжительности спуско-подъемных операций может принимать любые значения от способа бурения. Так, роторное бурение рекомендуется в нижней части разреза, турбинное и электробурение (до 1000 об/мин ) в верхних стратиграфических подразделениях.

В глинистых породах кратное увеличение проходки за рейс при переходе на роторный способ в глубинных интервалах сопровождается незначительным снижением механической скорости проходки. Особенно ярко данная зависимость выявляется при бурении с промывкой утяжеленными растворами при высоких высоких забойных температурах. В этих условиях для улучшения работоспособности опор и вооружения долот эффект эффективны низкооборотные способы бурения, включая роторный.

Алмазные долота позволяют многократно увеличить проходку за рейс. Если охлаждение алмазного долота оптимальное, то рекомендуемые частоты вращения инструмента могут быть доведены до 500 об/мин. и выше. С увеличением абразивности горных пород и уменьшении подачи бурового раствора частоту вращения алмазного долота рекомендуется снизить.

Нагрузка на долото.

Влияние осевой нагрузки на механическую скорость проходки зависит от характера разрушения породы и имеет зоны поверхностного разрушения, объемного разрушения и переходную зону. Частота вращения и осевая нагрузка взаимосвязаны между собой. С увеличением частоты вращения осевые нагрузки, которые обеспечивают объемное разрушение породы, также увеличиваются. Общие закономерности параметров режима бурения, особенно величины частоты вращения и осевых нагрузок, конкретизируются при рассмотрении работы различных породоразрушающих инструментов и свойств горных пород, для разрушения которых они предназначены.

Лопастные долота применяют для бурения в мягких пластичных горных породах и частично пород средней твердости. Такие породы характеризуются хорошей буримостью. При бурении образуется много шлама. Высокие показатели бурения достигаются при небольших осевых нагрузках и высоких частотах вращения. Эффективность бурения в основном определяется величиной развиваемого крутящего момента и степенью очистки скважины от шлама. Потребности в больших крутящих моментах, несмотря на родство характеристик турбобуров требованиям эффективного разрушения при применении лопастных долот, ограничивают применение турбинного бурения лопастными долотами.

Шарошечные долота различных типов предназначены для широкой гаммы пород с различными физико-механическими свойствами. В соответствии со свойствами разбуриваемых пород изменяются и рациональные параметры режима их бурения. В мягких пластичных породах высокие показатели бурения достигаются при больших частотах вращения и невысоких осевых нагрузках. С ростом твердости пород частоты вращения для эффективного их разрушения снижаются, а осевые нагрузки возрастают. Твердые и вязкие породы для эффективного разрушения требуют небольших частот вращения и высоких осевых нагрузок.

В соответствии с требованиями эффективного разрушения мягкие, средней твердости и частично твердые горные породы эффективно разбуривать турбобурами, твердые и крепкие породы -- с использованием роторного бурения. Область бурения винтовыми двигателями находится между турбинным и роторным бурением.

Алмазные долота эффективно разрушают породу при высоких частотах вращения и меньших осевых нагрузках, чем шарошечные долота, в аналогичных по твердости породах. Следовательно, их более эффективно применять при турбинном бурении.

Общие закономерности позволяют ориентировочно выбирать области применения способов бурения, типы породоразрушающих инструментов и параметры режима бурения или их уточнение производят опытным путем на основе анализа практически получаемых данных. Для ускорения определения рациональных параметров режимов бурения в конкретных условиях в настоящее время предусматривается бурение опорно-технических скважин. На основании показателей их бурения разрабатывают рекомендации по эффективному разбуриванию данной площади.

При бурении на твердые полезные ископаемые свойства горных пород изменяются в меньшем диапазоне, чем при бурении скважин на нефть или газ. Поэтому разработаны более точные рекомендации по применяемым параметрам режима бурения.

Осевую нагрузку при бурении твердосплавными коронками определяют из расчета 1200--1500 Н на один восьмигранный резец, 300--500 Н -- на тонкопластинчатый резец и 500--800 Н -- на резец прямоугольной формы.

При использовании ударно-вращательного способа бурения частоту вращения и осевую нагрузку обычно снижают в 2-- 3 раза.

Для успешного применения алмазного бурения осевую нагрузку поддерживают в пределах 400--1000 Н на 1 см2 торца коронки.

Количество и качество промывочной жидкости.

По данным промысловых и лабораторных исследований наилучшие показатели работы породоразрушающих инструментов достигаются при своевременном удалении с забоя разрушенной породы. Чем быстрее удаляются продукты разрушения, тем выше механическая скорость проходки. Скорость удаления продуктов разрушения зависит от количества бурового раствора, его свойств и скорости истечения из отверстий долота.

Многолетний опыт бурения показал, что при увеличении количества прокачиваемого бурового раствора механическая скорость возрастает до определенного предела при прочих постоянных параметрах бурения и свойствах пород. По достижении определенного предела она остается постоянной. Следовательно, скорость очистки забоя от шлама с увеличением расхода бурового раствора увеличивается до определенной величины, а затем стабилизируется.

Влияние качества бурового раствора на показатели бурения имеет более сложный характер. Например, с увеличением вязкости буровой раствор приобретает способность удалять более крупный шлам. Однако увеличение вязкости часто приводит к увеличению плотности бурового раствора, который создает большее давление на забой, увеличивая сопротивление породы разрушению, а также приводит к резкому росту гидравлических сопротивлений. По мнению ряда известных отечественных и зарубежных ученых, наилучшие показатели бурения достигаются при использовании промывочных агентов малой плотности и вязкости, а увеличение способности очистки забоя и выноса шлама из скважины следует достигать увеличением расхода раствора.

Одним из количественных показателей прокачиваемого раствора является скорость его истечения из отверстий долота на забой. При больших скоростях истечения шлам лучше удаляется с забоя и тем самым может быть уменьшено количество прокачиваемого раствора. Высокие скорости истечения бурового

Раствора из сопел струйных долот (более 100 м/с) не только улучшают очистку забоя от шлама, но и способствуют разрушению пород малой твердости, а также удаляют с забоя частицы породы, не полностью отделенные от забоя в результате воздействия породоразрушающего инструмента.

Количество прокачиваемого раствора должно быть достаточно не только для удаления шлама с забоя, но и транспортирования его на поверхность.

Скорость восходящего потока бурового раствора должна быть не меньше скорости осаждения частиц в буровом растворе, находящемся в покое.

Похожие статьи




Проектирование режима бурения - Бурение нефтяных и газовых скважин

Предыдущая | Следующая