книги / Оптимизация режимов бурения гидромониторными шарошечными долотами

3. ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ

_________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ_________

Рис. 3.4.6. Влияние приближения насадок к забою на изменение величины критерия J с глубиной при нормальной плотности бурового раствора (базовая технология).

Рис. 3.4.7. Влияние приближения насадок к забою на изменение критерия J с глубиной скважины при увеличенной плотно­ сти бурового раствора (1250 кг/м3 - по всему стволу)

112

3. ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ

_________________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ

Рис. 3.4.8. Влияние диаметра равноразмерных насадок на меха­ ническую скорость бурения (данные Г.Ф. Скрябина):

Доказательство преимуществ критерия J будет завершено, если будет установлено, что оптимальные по данному критерию варианты гидравли­ ческих режимов промывки скважины отличаются от неоптимальных большей интенсивностью фильтрационных процессов, непосредственно осуществляющих процесс очистки забоя от выбуренной породы. Ниже из­ лагаются результаты второго этапа выполненных численных эксперимен­ тов (рис. 3.4.9...3.4.11).

На указанных рисунках приведены графики изменения скорости фильтрации через плоскость забоя Vф в зависимости от поворота долота (с заданной скоростью) от некоторого начального момента наблюдения.

На рис. 3.4.9 сравниваются три варианта промывки скважины через три равноразмерные насадки при бурении на глубине 1000 м (технология бурения - базовая), один из которых представляет собой оптимальный ва­ риант, а другие - неоптимальные по коитерию J , расположенные на гра­ фике J(Q) симметрично относительно первого по величине J .

113

VВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ

ИОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ

поворот долота, об

Рис. 3.4.9. Сравнение оптимального (30 дм3/с) варианта промывки (по критерию J) с неоптимальными при бурении на глубине 1000 м (бурильные трубы ТБПК-127, диаметр скважины - 215,9 мм, давление на насосах - 15 МПа).

Оптимальный вариант выглядит явно предпочтительнее других. При достаточно высоком значении скорости фильтрации v,j, он обеспечивает сохранении депрессии до прихода шарошки. Вариант с Q = 18 дм3/с имеет хорошую продолжительность фильтрации, но уступает но максимуму Вариант с Q = 48 дм3/с имеет самую худшую характеристику по продол­ жительности фильтрации, что объясняется влиянием повышенного (за счет потерь давления в заколонном пространстве) дифференциального давле­ ния.

На рис. 3.4.10 приведены результаты аналогичного анализа для глуби­ ны 2500 м. Преимущество оптимального варианта выражено в большей степени, а из неоптимальных предпочтительнее выглядит вариант с мень­

114

3. ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ

_______ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ_________________

шим расходом, который имеет существенно большую продолжительность фильтрации.

Рис. 3.4.10. Сравнение оптимального (28 дм3/с) варианта промывки (по критерию J) с неоптимальными при бурении на глубине 2500 м (бурильные трубы ТБПК-127, диаметр скважины 215,9 мм, дав­ ление на насосах -15 МПа).

При глубине бурения 4000 м (рис. 3.4.11) преимущество оптимальною варианта режима промывки выражено еще более определенно. Неопти­ мальный вариант с меньшим Q уступает по величине г,/,, а с большим Q - по продолжительности фильтрации.

Таким образом, на всех глубинах бурения оптимальные по критерию./ режимы промывки скважины имеют явное преимущество перед другими по фильтрационным показателям, что свидетельствует о физической обос­ нованности критерия J. Последнее даст основание на использование его в качестве аргумента в уравнениях, отражающих влияние промывки на про­ цессы разрушения породы, износ вооружения и опоры долота.

115

.1. ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ

_________________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ

Рис. 3.4.11. Сравнение оптимального (26 дм3/с) варианта промывки (по критерию J) с неоптимальными при бурении на глубине 4000 м (бурильные трубы ТБПК-127, диаметр скважины 215,9 мм, давле­ ние на насосах - 15 МПа).

Выше упоминалось, что критерия J может быть больше 1, но только в

мывки меньше пластового давления.

Опыт применения гидромониторных долот при промывке скважины водой [165] свидетельствует о том, что относительная эффективность гидромониторной промывки существенно меньше, чем при бурении с про­ мывкой глинистыми растворами. Этот факт еще не находил удовлетвори­

116

3. ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ

_________________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ

тельного объяснения. Теперь же становится ясным, что при наличии ре­ прессии на забое струи меняют знак дифференциального давления, созда­ ют депрессию там, где только что была репрессия.

Рис. 3.4.13. Сравнение оптимального (34 дм3/с) варианта промывки (по критерию J) с неоптимальными при бурении на глубине 2000 м с промывкой скважины водой (бурильные трубы ТБПК-127, диаметр скважины 215,9 мм, давление на насосах-15 МПа).

При промывке водой гидромониторные струи своим давлением на за­ бой вначале сдерживают фоновую статическую депрессию, а затем "позво­ ляют" в промежутке между воздействием восстановиться фоновой фильт­ рации в сторону скважины, чем и объясняется малый эффект (или даже от­ сутствие эффекта) при использовании струйной промывки в условиях ста­ тической депрессии на забое. В этих условиях меры по ускорению транс­ порта шлама (асимметричная промывка, центральная промывка и т. п.) может оказаться более эффективным, нежели гидромониторная с высоким перепадом давления.

117

4- ВО {ДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ

_________________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ

На рис. 3.4.12 показано изменение скоростей фильтрации жидкости для трех значений J . Вариант промывки приУ=1 имеет преимущество перед другими. Следовательно, при бурении с промывкой скважины водой оп­ тимальным, вероятнее всего, будет тот режим гидромониторной промыв­ ки, при которой критерий J несколько больше единицы, чтобы сохранить на забое состояние статической депрессии.

ffi

2

2

О

CL

С

>s

о

X

сх

о

ь-

S

X

о

2

о

о. Ct X

>s s

CL

<D

X

CL

Рис. 3.4.13. Зависимости дифференциального давления, осевого давле­ ния струи, критерия "эффективное давление струи" и критерия промывки J от расхода жидкости при бурении на глубине 2000 м (промывка скважины водой, остальные параметры технологии - ба­ зовые).

На рис. 3.4.13 приведены зависимости критериев промывки от расхода бурового раствора (воды) при бурении гидромониторными долотами с тремя равноразмерными насадками на глубине 2000 м. В отличие от про­ мывки глинистым раствором кривая J не имеет максимума, поэтому гово­ рить об оптимальном варианте промывки, соответствующем максимуму J , не приходится. Критерий J равен 1, когда во время промывки ра„ф= 0 (та­ кой момент наступает при £2=34 дм3/с).

1 1 8

3. ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ

________________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ_________________

Варианты промывки, когда J > 1, говорят о том, что р1>11ф < 0, и буре­ ние осуществляется в условиях, когда на всем забое депрессия, а гидромо­ ниторные струи ее только видоизменяют в кольцевой полосе своего воз­ действия на периферии скважины (рис. 3.4,12). При J < 1, когда /?,>,„/, > О, благодаря возросшим потерям давления в заколонном пространстве, си­ туация с промывкой становится схожей с вариантом использования глини­ стого, раствора с относительно небольшим положительным р,)„ф (угнетаю­ щим весь забой репрессией), потому что в этом случае депрессия возника­ ет только на локальном участке и только под действием струй.

Формула (3.4.9) применима и при бурении с постоянным р,)иф и даже при равновесном бурении, когда всегда р()„ф ~ 0 и не зависит от расхода жидкости Q. В этом частном случае оптимальному варианту промывки соответствует максимум функции р ос(0)-

Что касается применяемой ныне традиционной методики проектирова­ ния оптимальных режимов промывки для случая применения воды, то она ничем не отличается от варианта промывки глинистыми растворами, что представляется не совсем убедительным.

3.5.Влияние гидромониторной промывки забоя скважины на диаграмму бурения

Среди исследователей промывки забоя и режимов бурения весьма рас­ пространено мнение, что при неудовлетворительной промывке на графике зависимости v„(g) образуются линии, схожие с линиями замедления (ЛЗ) на диаграмме бурения ( см. подраздел 2.1). Считается, что совершенство­ вание промывки забоя, например, увеличением расхода жидкости и (или) перепада давления на долоте, либо ликвидирует ЛЗ, либо поднимает нача­ ло ее выше вдоль ЛОР, увеличивая тем самым S при тех же нагрузках на долото. Причиной появления ЛЗ, как уже говорилось раньше, чаще всего считается накопление выбуренной породы на забое, когда концентрация ее

впризабойном пространстве существенно больше, чем над долотом. Тер­ мин “очистка забоя скважины” понимается обычно буквально, как механи­ ческая транспортировка шлама из долотного пространства. Если придер­ живаться такого понимания, то логически получается, что в тех скважинах, где гидромониторные долота дали прирост механической скорости буре­ ния, до их применения очистка забоя была недостаточной, неудовлетвори­ тельной, и наоборот, там, где гидромониторная промывка не дает резуль­ тата, очистка забоя является удовлетворительной. Автору такое толкова­ ние не кажется строгим.

Не отрицая в принципе возможности накопления породы на забое (при v„ > 15...20 м/ч, как показывают расчеты, плотность раствора за ко­ лонной существенно возрастает по сравнению с плотностью закачиваемого

вколонну раствора), следует признать, что при промывке на забое проис­ ходят более сложные явления. Нельзя исключать того, что гидромонитор­

119

1. ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ ИА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ

_________________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ_________________

ная промывка будет эффективна и тогда, когда при исходном режиме промывки забой будет свободен от шлама.

Большинство отечественных и зарубежных исследователей, занимав­ шихся изучением влияния промывки на работу долот в промысловых ус­ ловиях, не проводили (параллельно с отработкой долот) специальных тес­ товых экспериментов для оценки условий бурения и установления меха­ низма влияния промывки на процесс бурения. П.Ф. Осипов еще в 60-х го­ дах в рамках проводки ОТС на Кудиновской площади, выполнил ком­ плексные промысловые исследования, совмещая применение высокона­ порных струй с получением диаграмм роторного бурения. Долота 2К214СГ и 4K-2I4 СГ в то время имели промывочные узлы весьма низкого качества: насадки не имели надежной системы уплотнения и крепления, а сварочные швы долот легко размывались буровым раствором при наличии перепада давления свыше 5...7 МПа. По этой причине только 2 долбления из 27 опытных удалось довести до конца, сохранив перепад давления на долоте рл на запланированном уровне. Следует особо подчеркнуть (этот момент очень важен для понимания результатов экспериментов), что для промывки скважины применялись глинистые растворы, стабилизирован­ ные УЩР, которые, как известно, склонны к накоплению твердой фазы и имеют весьма высокие значения плотности и реологических параметров. Плотность бурового раствора превышала требуемые по условиям бурения на 150. .200 кг/м3, что создавало завышенные угнетающие (дифференци­ альные) давления на забой. Опытные долота представляли собой серий­ ные, но с модернизированными [144] промывочными узлами, обеспечи­ вающими надежные крепление и уплотнение насадок. Обычно через 20...40 мин бурения давление на насосах с 14..15 МПа падало до 4...5 МПа в результате промыва сварочных швов. “Стойкости” их иногда едва хвата­ ло только на проведение тестового эксперимента. Всего выполнено 19 опытных долблений в интервале бурения 1250...2000 м с перепадом давле­ ния на долоте не менее 6 МПа и получено при этом 17 достоверных диа­ грамм бурения. Однако ни одна из диаграмм и ни одно из законченных (или не законченных) долблений не показали, что имеет место сущест­

венное влияние гидромониторной промывки на показатели работы до­ лот.

В разделе 1 детально описаны данные промысловых исследований [154, 165], свидетельствующие, напротив, о положительном влиянии гидромониторной промывки на работу долот, и указаны условия, при ко­ торых эффект может быть получен. Показано, что важнейшим условием является минимизация дифференциального давления. То, что на Кудинов­ ской площади не удалось получить явного положительного результата от гидромониторной промывки, объясняется (это доказано результатами ис­ следованиями в данном разделе) чрезмерно высокими значениями диффе­ ренциального давления на забой. Важно также напомнить, что, как это

1 2 0