книги / Оптимизация режимов бурения гидромониторными шарошечными долотами

1 . ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НЛ РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ

_________________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ_________________

фильтрацию. Чтобы полностью подавить v,/, , в эксперименте пришлось “создать” р,)„ф = 22,5 МПа, что в несколько раз превышает величину гидро­ динамического давления струи на забой. С увеличением рАифуменьшаются скорость и продолжительность обратной фильтрации. При малых диффе­ ренциальных давлениях (0...1,5 МПа) обратная фильтрация сохраняется вплоть до начала разрушения породы шарошкой, идущей вслед за струей

(ip = 1). При рд„ф=3,2 МПа последнее уже не наблюдается. Этот результат имеет важнейшее значение. Дело в том, что при рАиф< 3 МПа гидромони­ торная струя в состоянии не только обеспечить возникновение обратной фильтрации, но и сохранить ее до “прихода” струи, подготавливая тем са­ мым более благоприятные условия для разрушения забоя зубьями долота. Напротив, при повышенных дифференциальных давлениях струи обеспе­ чивают создание только обратной фильтрации, способствуя отделению частиц породы от забоя в полосе “обработки” его давлением.

Данные на рис. 3.2.1 приводят к следующим выводам:

1. Влияние гидромониторных струй на работу шарошечных долот про­ является в создании обратной фильтрации ( 1-й эффект) и уменьшении градиента давления, вплоть до поддержания состоянии депрессии (при на­ личии обратной фильтрации) до прихода шарошки в точку наблюдения (2-й эффект).

2.Чем больше максимум \ф , тем сильнее эффект очистки забоя и больше шанс на реальное проявление 2-го эффекта.

3.Дифференциальное давление практически не в состоянии нейтрали­ зовать проявление 1-го эффекта, но вполне может “уничтожить” надежды на получение второго.

Для достижения наибольшего результата от применения гидромони­ торных долот необходимо проявление обоих эффектов, и самым надежным путем достижения этого является уменьшение дифференциального давле­ ния. Следовательно, минимизация плотности бурового раствора и умень­ шение гидравлических сопротивлений в заколонном пространстве и в цир­ куляционной системе являются непременными условиями эффективного применения высоконапорных струй в бурении. Полученные результаты хорошо объясняют, почему наибольший эффект от гидромониторных до­ лот получают либо на ограниченных глубинах, либо при промывке сква­ жины буровыми растворами с малым содержанием твердой и коллоидной фаз.

91

I, ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОГОДУ

_________________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ_________________

поворот долота, об

Рис. 3.2.1. Влияние дифференциального давления на скорости фильт­ рации через плоскость забоя.

Влияние коэффициента пьезопроводности породы на фильтрацию

жидкости.

На рис. 3.2.2 приведены результаты расчетов скоростей фильтрации в интервале изменения <р от 0,833 до 1 при бурении пород с различными значениями пьезопроводности. Условия промывки, за исключением пьезо­ проводности породы, те же, что для базового варианта (рис. 3.2.1). Выяс­ нилось, что распределение давления и градиенты давления в породе не за­ висят от значения пьезопроводности. Последнее влияет только на скорость фильтрации v,y,„, причем для максимумов скоростей обратной фильтрации жидкости для двух разных пород, характеризующихся соответственно ко­ эффициентами пьезопроводности к/ и к? , всегда справедливо соотноше­ ние:

V I

'/ '" I

v'/'"2 (3.2.1)

92

3. ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА ГАЗРУЦ1АЕМУю д о л о т о м п о р о д у

_________________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ

Рис. 3.2.2. Влияние пьезопроводности породы на фильтрацию жидкости через плоскость забоя под влиянием гидромониторной струи.

Итак, при бурении любых по проницаемости пород возникают обрат­ ные фильтрационные потоки. Продолжительность их существования, гра­ диенты давления и толщина депрессионного слоя не зависят от пьезонроводности пород. Для нейтрализации негативного влияния угнетающего (по определению Н.А. Колесникова) давления нужны высокие скорости об­ ратной фильтрации и, следовательно, более высокие давления струй. Именно обратная фильтрация обеспечивает заполнение развивающихся и расширяющихся в зоне предразрушения трещин, сочетая заполнение жид­ костью увеличивающихся трещин с разрушением (скорее - доразрушением) пород под действием сил депрессии. Уменьшение v,/, означает, что за­ медляются указанные полезные эффекты.

Влияние скорости вращения долота (скорости перемещения струи относительно забоя) на фильтрацию жидкости.

В литературе мнения относительно роли п в процессе очистки забоя весьма противоречивы.

На рис. 3.2.3 приведены результаты численного эксперимента, иллюст­ рирующие влияние скорости (частоты) вращения долота п на скорости фильтрации через поверхность забоя при базовом варианте параметров промывки. Выбраны четыре значения скорости вращения, охватывающие все способы бурения от роторного до турбинного. Оказалось, что скорости обратной фильтрации возрастают по мере увеличения //. Более того.

93

3. ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ

_________________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ_________________

происходит и увеличение продолжительности обратной фильтрации. Если, например, при п = 60 об/мин (роторное бурение) в момент разрушения по­ роды шарошкой прямая фильтрация (в сторону породы) успевает восста­ навливаться и 2-й эффект струи почти не проявляется, то уже при п = 240 мин'1 разрушение породы шарошкой происходит в условиях депрессии в зоне разрушения, тем более при п = 480 об/мин (турбинное бурение), ко­ гда направление фильтрации остается положительной и порода разруша­ ется в условиях депрессии. Увеличение скорости обратной фильтрации объясняется увеличением градиента давления, в частности, за счет неко­ торого уменьшения толщины депрессионного слоя.

Рис. 3.2.3. Влияние скорости вращения гидромониторного долота на фильтрацию жидкости через плоскость забоя.

Итак, увеличение п обеспечивает более эффективное использование энергии высоконапорных гидромониторных струй.

Влияние перепада давления на долоте р д на фильтрацию жидкости.

Расчеты выполнены в предположении, что все параметры и условия промывки (длина струи, диаметр насадки, пьезопроводность породы и пр.), за исключением рд, постоянны и соответствуют базовому варианту. Такая

94

3. ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА р а з р у ш а е м у ю д о л о т о м п о р о д у

И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ ________

постановка задачи является несколько абстрактной (в реальной практике изменение рд требует применения других по диаметру насадок), но она не­ обходима для оценки влияния “в чистом” виде только одного параметра - перепада давления на долоте. На рис. 3.2.4 приведены результаты расче­ тов, из которых следует, что увеличение рд является весьма эффективным средством увеличения скорости обратной фильтрации (1-й эффект) и про­ дления ее до прихода шарошки (2-й эффект). Скорость фильтрации возрас­ тает в первом приближении пропорционально рд, если все остальные па­ раметры, в том числе и диаметр струи и форма волны давления, неизмен­ ны.

Рис. 3.2.4. Влияние перепада давления на долоте на скорости фильтрации жидкости через плоскость забоя.

Существование указанных эффектов при непосредственном воздейст­ вии струи на породу побудило П.Ф. Осипова (совместно с В.И. Зелепукиным) усовершенствовать известный способ кольматации проницаемых пластов, например, продуктивных, с целью уменьшения глубины их за­ грязнения, высоконапорными струями, содержащими твердую фазу и на­ правленными на стенки скважины. Дело в том, что струя, как теперь выяс-

95

д. воздействие ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РАЗРУш ае м у ю д о л о т ом п о р о д у

_________________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ_________________

пилось, не только кольматирует породу на этапе роста давления, но и декольматирует ее на этапе его падения. Устройство по А.с. 1332001, Е21 В 37/02 (опубл. 23.08.87, Бюл. 31) позволяет до минимума снизить эффект декольматации.

3.3.Методы интенсификации промывки забоя скважины и их влияние на фильтрационные процессы на забое

скважины

После выбора оптимального варианта режима промывки по одному из известных или предложенных автором критериев (разд. 5.4) можно при­ нять специальные меры по дальнейшей интенсификации очистки забоя скважины (в рамках принятого оптимального варианта). К ним относятся известные (традиционные) меры:

уменьшение числа равноразмерных насадок (как правило, двух вместо грех);

-применение разноразмерных насадок в рамках предварительного вы­ бранного количества насадок z .

-приближение насадок к забою.

П.Ф. Осиповым предложены новые меры:

-применение асимметричных струй и формирующих их насадок (со­ вместно с Ю.Л. Логачевым);

-создание управляемой кавитации вокруг гидромониторной струи с це­ лью ограничения массобмена между струей и средой (совместно с А.В.

Овчаренко).

Основанные на промысловом опыте рекомендации отдельных исследователей относительно применения меньшего количества насадок [24, 33, 36, 38, 39, 40, 74, 80, 81, 88, 90, 91, 137, 165, 174], установки в долоте разноразмерных насадок [154, 155, ] и приближения насадок [147], к забою весьма противоречивы.

Анализ влияния указанных мер на фильтрационные процессы в породе на забое скважины поможет получить более обоснованные рекомендации.

Рассмотрим и оценим перечисленные меры (известные и предлагае­ мые) именно с этих позиций.

Уменьшение числа равноразмерных насадок.

Уменьшение числа используемых промывочных узлов до двух пред­ полагает, что на одном из трех промывочных отверстий устанавливается заглушка, а оставшиеся два - оснащаются насадками большего диаметра, подобранными так, чтобы перепад давления на долоте оставался прежним (как при 3-х насадках). Такая замена сопровождается уменьшением отно­ сительного расстояния до забоя т и, как следствие, увеличением руЛ . Изменится и диаметр струи на забое.

96

3. ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ

_________________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ_________________

поворот долота, об

Рис. 3.3.1. Влияние числа используемых насадок на скорости фильтрации через поверхность забоя при глубине скважины 3000 м.

Режим промывки: Рл=11,4 МПа; Рдиф=3,2 МПа;

диаметр насадок: npnz=2 - 10,2 мм, при z=3 - 8,3 мм.

Рассмотрим 2 базовых варианта промывки скважины, отличающихся между собой только тем, что в 1-м случае используются все три насадки, а во 2-м - только две.

Результаты приведены на рис. 3.3.1, из которых следует, что переход с трех равноразмерных насадок меньшего диаметра на две равноразмерные насадки большего диаметра является эффективным методом интенсифика­ ции очистки и разрушения забоя при бурении гидромониторными шаро­ шечными долотами (если на время забыть о негативном влиянии на работу долот отсутствия одной из насадок). Первопричиной эффекта является увеличение ударного давления струи на забой за счет уменьшения относи­ тельного расстояния до забоя т.

Приближение насадок к забою.

На рис. 3.3.2 показано влияние приближения насадки к забою на фильтрацию жидкости. Оно очень сильно влияет на 1-й эффект и относи­ тельно скромно - на 2-й . Объясняется это тем, что с приближением насад­ ки уменьшается диаметр поражающей забой струи . В разделе 4.5 показа­ но, что приближение насадок к забою (по сравнению со стандартным рас­

97

V ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ

_________________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ_________________

стоянием) решает проблему вписываемости струи и сохранения ее ком­ пактности. Совмещение этих двух положительных результатов дает осно­ вание рекомендовать данное решение для широкого внедрения, в частно­ сти, для выравнивания величин критерия промывки J по отдельным на­ садкам.

Рис. 3.3.2. Влияние приближения насадок к забою на скорости фильтрации через плоскость забоя.

Влияние асимметричности струи.

Величину максимальной скорости обратной фильтрации можно суще­ ственно увеличить (усилить 1-й эффект), если ускорить “сброс” давления в фазе ухода струи, путем, например, увеличить крутизны тыльной стороны волны гидродинамического давления. На рис. 3.3.3 приведены результаты проверки этой идеи в численном эксперименте. Оказалось, что асиммет­ ричная относительно оси насадки струя, у которой плечо тыльной стороны волны в 2 раза меньше активной, нагнетающей стороны волны давления, обеспечивает удвоение скорости обратной фильтрации, но вместе с тем

98

3. ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НЛ РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ

_________________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ_________________

имеет место ее быстрое затухание и уменьшение продолжительности. Из этого можно заключить, что данная мера будет эффективна в тех случаях, когда нет реальных надежд на получение 2-го эффекта и нужно усилить проявление хотя бы 1-го. Например, при вынужденном бурении с промыв­ кой скважины растворами повышенной плотности, в том числе и утяже­ ленными.

Рис. 3.3.3. Влияние асимметричности струи на фильтрацию жидкости под влиянием гидромониторной струи (радиус “сбегающей" части струи вдвое меньше радиуса "набегающей"; пьезопро­ водность породы - 0,1 м2/с).

Для реализации этой технологии промывки П.Ф. Осиповым и Ю Л. Ло­ гачевым предложены насадки, которые формируют искомые асимметрич­ ные струи ( А.с. 1314001 Е 21 В 10/18 “Способ очистки забоя скважины при бурении и устройство для его осуществления” и А.с. 1686112 Е 21 В 10/18 “Буровое шарошечное долото”).

Влияние кавитации на границе струи со средой.

Экспериментальные исследования струй, приведенные в разделе 4.3, показали, что кавитационное (отрывное) течение на границе струи оказы­

99

3. ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ

_________________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ_________________

вает благоприятное влияние на ее компактность (увеличивает та и умень­ шает Р) . Для проверки влияния этого явления на скорость фильтрации проведены расчеты (рис. 3.3.4), где в качестве исходных данных взяты па­ раметры струи, истекающей в среду “без противодавления” из бирадиальной насадки (рис. 4.3.3).

поворот долота, об

Рис. 3.3.4. Влияние кавитации на границе струи на скорость фильтрации жидкости через плоскость забоя:

1 - струя затопленная, без явления кавитации;

2 - струя с кавитацией.

Результаты расчета показывают, что величина максимальной скорости фильтрации заметно возрастает, а ее продолжительность практически не меняется. Для реализации данного предложения предложен способ управ­ ляемой кавитации, защищенный авторским свидетельством (А.с. 1488434 Е 21 в 21/14 “Способ промывки забоя скважины при бурении с использо­ ванием породоразрушающего инструмента с гидромониторными насадка­ ми”). Суть предложения сводится к дозированной аэрации буровой про­ мывочной жидкости с учетом растворимости азота воздуха в забойных ус­ ловиях с таким расчетом, чтобы в момент прохождения через насадку бу­ рового раствора последний имел предельное насыщение по растворенному

1 0 0