Влияние частоты вращения долота

Тема 7. РЕЖИМ БУРЕНИЯ

Учебные вопросы:

1. Режимные параметры и показатели бурения.

2. Влияние режимных параметров на показатели бурения.

3. Особенности режимов вращательного бурения.

РЕЖИМНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ПОКАЗАТЕЛИ БУРЕНИЯ

Эффективность бурения зависит от комплекса факторов:

· осевой нагрузки на долото (Р),

· частоты вращения долота (п),

· расхода промывочной жидкости (Q);

· параметров качества бурового раствора (ρ, t, В),

· типа долота,

· геологических условий,

· механических свойств горных пород.

Выделяют параметры режима бурения, которые:

1) Управляемые параметры - можно изменять с пульта бурильщика в процессе работы долота на забое (Р, п, Q, ρ, t, В, тип долота)

2) Отдельные факторы, установленные на стадии проектирования строительства скважины, (отдельные из которых нельзя оперативно изменять).

Режим бурения – это определенное сочетание параметров и факторов, влияющие на показатели бурения, которые могут изменяться бурильщиком с пульта управления БУ.

Оптимальный режим бурения - обеспечивающий получение наилучших технико-экономических показателей при данных условиях бурения.

Специальные режимы бурения, при которых решаются в процессе бурения специальные задачи:

1) проводка скважины через поглощающие пласты,

2) обеспечение минимального искривления скважины (контролирование искривления),

3) максимального выхода керна (при колонковом бурении),

4) качественного вскрытия продуктивных пластов и т.д.

Каждый параметр режима бурения влияет на эффективность разрушения горных пород, причём влияние одного параметра зависит от уровня другого, (т.е наблюдается взаимовлияние факторов).

Основные показатели эффективности бурения нефтяных скважин:

1) проходка на долото,

2) механическая скорости бурения

3) рейсовая скорости бурения

4) удельные эксплуатационные затраты на один метр проходки.

1. Проходка Н – это число метров, пробуренных от начала разрушения породы данным долотом до рассматриваемого момента работы его на забое.

Проходка на долото H_д (м) – общее число метров, пробуренных долотом до его полного износа, в большинстве случаев H_д = Н_р, где Н_р – проходка за рейс, однако при использовании алмазных, ИСМ долот и бурильных головок для отбора керна Н_р^˂H_д, очень важный показатель, определяющий:

1) расход долот на бурение скважины и потребность в них по площади и УБР в целом,

2) число СПО,

3) изнашивание подъемного оборудования,

4) трудоемкость бурения,

5) возможность некоторых осложнений.

 Проходка на долото зависит от:

1) абразивности пород,

2) стойкости долот,

3) правильности подбора долот,

4) режимов бурения

5) критериев отработки долот.

2. Механическая скорость проходки υ_м = H_д / Т_м характеризует интенсивность разрушения породы долотом.

где H_д - проходка на долото, м;

Т_м - продолжительность механического разрушения горных пород на забое или время проходки интервалов, ч.

Отношение проходки долота за рейс Н_р ко времени, затраченному на разрушение породы в течение этого рейса Т_м называют средней механической скоростью:

υ_{м. ср}= H_р / Т_м , м/ч

Таким образом, υ_м - средняя скорость углубления забоя может быть определена по:

· отдельному долоту,

· отдельному интервалу,

· всей скважине L_с,

· по УБР и т.д.:

υ_{м. ср} = L_с / Т_м, м/ч

Выделяют текущую (мгновенную) механическую скорость:

υ_м = dh / dt

При известных свойствах горных пород механическая скорость характеризует:

· эффективность разрушения горных пород,

· правильность подбора и отработки долот,

· способа бурения и режимных параметров,

· величину подведенной на забой мощности и ее использование.

Если в одинаковых породах и интервалах одной скважины скорость ниже, чем в другой, надо улучшать режим (особенно актуально при кустовом бурении).

Изменение текущей механической скорости связано с:

· изнашиванием долота,

·

· изменением режимных параметров в процессе

отработки долота,

3. Рейсовая скорость проходки – скорость углубления скважины с учетом затраты времени не только на разрушение породы (Т_м) и на СПО  (Т_сп), но и вспомогательные работы в течении этого времени (Т_в):

υ_р = H_д / (Т_м + Т_сп + Т_в),  м/ч

где H_д - проходка на долото, м;

Т_м – продолжительность работы долота на забое, ч;

Т_сп – продолжительность спуска и подъема долота, наращивания инструмента, ч.

Т_в – время на вспомогательные работы, ч.

Рейсовая скорость определяет темп углубления скважины, она показывает, что темп проходки ствола зависит не только от отработки долота, но и от объема и скорости выполнения СПО. Если долго работать изношенным долотом или поднимать долото преждевременно, то υ_р снижается. Долото, поднятое при достижении максимума рейсовой скорости, обеспечивает наиболее быструю проходку ствола.

Средняя рейсовая скорость по скважине выражается:

υ_р = L_с / (Т_м + Т_сп + Т_в).

4. Удельные эксплуатационные затраты на 1 м проходкиопределяется по формуле,

                             С_э= С_д + С_ч (Т_м + Т_сп + Т_в)/ Н_д.

где С_д – цена долота;

С_ч – эксплуатационные затраты за 1 ч работы буровой установки;

ВЛИЯНИЕ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА ПОКАЗАТЕЛИ БУРЕНИЯ

Влияние осевой нагрузки

Разрушение горной породы на забое механическим способом невозможна без создания осевой нагрузки на долото. На рис. 1.1. показана зависимость механической скорости бурения υ_м от осевой нагрузки G на трёхшарошечное долото при проходке мягких (кривая 1), средней твёрдости (кривая 2), твёрдых (кривая 3) и крепких (кривая 4) пород при неизменной низкой (до 60 об/мин) частоте вращения и достаточной промывке за короткий промежуток времени, когда изнашиванием долота можно пренебречь.

Как видно из рисунка, механическая скорость непрерывно возрастает с увеличением осевой нагрузки, но темп её роста зависит от твердости горных пород (для мягких пород более быстрый, так как больше глубина погружения зубьев при одинаковой нагрузке).

На стенде, и в промысловых условиях наблюдается изменение темпа роста Vм от G при переходе от разрушения пород истиранием при небольшой осевой нагрузке к разрушению пород в усталостной и объёмной областях при больших нагрузках.

Если скорость вращения долота неизменна и обеспечивается достаточная чистота забоя, величина углубления за один оборот dу возрастает с увеличением удельной осевой нагрузки Руд так. При весьма малой нагрузке напряжение на площадке контакта зуба шарошки с породой меньше предела усталости последней; поэтому при вдавливании происходит лишь упругая деформация породы. Разрушение же породы в этой зоне, которую обычно называют областью поверхностного разрушения, может происходить путём истирания и, возможно, микроскалывания шероховатостей поверхности при проскальзывании зубка.

Если нагрузка более высокая, то давление на площадки контакта зубка с забоем превышает предел усталости, но меньше предела прочности породы. Поэтому при первом ударе зубка по данной площадке происходит деформация породы, возможно, образуются начальные микротрещины, но разрушения ещё не происходит. При повторных ударах зубков по той же площадке начальные микротрещины развиваются вглубь до тех пор, пока при очередном ударе не произойдёт выкол.

Чем больше действующая на зубок сила, тем меньше ударов требуется для разрушения. Эту зону называют областью объёмно – усталостного разрушения.

При более высоких нагрузках разрушение породы происходит при каждом ударе зубка. Поэтому участок называют областью эффективного объёмного разрушения породы.

Углубление за один оборот dу мало и возрастает очень медленно, пропорционально удельной нагрузке на долото Руд. Под удельной нагрузкой понимают отношение нагрузки на долото G к его диаметру.

В области усталостного разрушения углубление растет быстрее увеличения удельной нагрузки и зависимость между ними имеет степенной характер.

В области эффективного объёмного разрушения породы углубление за один оборот быстро возрастает – примерно пропорционально удельной нагрузке (или несколько быстрее), если обеспечена достаточная очистка забоя.

Характер зависимости между углублением за один оборот долота dу и удельной нагрузкой Руд существенно изменяется, как только очистка забоя становится недостаточной и на нём скапливаются ранее сколотые частицы, которые не успели переместиться в наддолотную зону. Такие частицы дополнительно измельчаются при новых ударах зубков шарошек по забою.

Вывод: С ухудшением очистки забоя прирост углубления за один оборот долота с увеличением удельной нагрузки будет уменьшаться.

Влияние частоты вращения долота

С изменением частоты вращения долота меняется число поражений забоя зубками шарошечного долота.

При малой частоте вращения долота отрыв сколотой частицы от забоя и её удаление облегчаются, так как:

· промежуток времени, в течение которого остаётся раскрытой трещина в породе, образующаяся при вдавливании зубка, достаточен для того, чтобы в эту трещину проник фильтрат бурового раствора (или сам раствор).

· давления на частицу сверху и снизу практически сравниваются и трещина не может сомкнуться после отрыва зубка от породы.

При увеличении же частоты вращения:

· уменьшается промежуток времени, в течение которого трещина раскрыта, и возникает вероятность, что фильтрат в трещину не успеет проникнуть, трещина после отрыва зубка шарошки от породы сомкнётся,

· прижимающая сила и фильтрационная корка будут удерживать частицу, препятствовать её удалению с забоя. Поэтому на забое сохраниться слой сколотых, но не удалённых частиц, которые будут повторно размалываться зубцами долота.

Поскольку из-за неполноты очистки забоя величина углубления за один оборот долота dу с увеличением частоты вращения (угловой скорости w) уменьшается, то механическая скорость υ_м будет возрастать пропорционально частоте вращения долота в степени меньшей единицы (рис. 5.3.).