книги / Оптимизация режимов бурения гидромониторными шарошечными долотами
..pdf.1. ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА р л з р у ш л е м у ю д о л о т о м п о р о д у
_________ _____И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ
следует из данных, приведенных в подразделе 1.3, при положительном влиянии струй на механическую скорость бурения всегда имеет место снижение стойкости долот, иногда на 50...60 %. Можно считать доказан ным, что эффективность гидромониторной промывки имеет тенденцию к снижению по мере увеличения глубины, причем в такой степени, что не возможно его объяснить только закономерным уменьшением резерва дав ления (для реализации его на долоте) с глубиной скважины. Итак, эффект от гидромониторной промывки может быть или большим (иногда много кратным), или умеренным, или никаким. Для устранения такой ситуации непредсказуемости необходимы стендовые исследования влияния промыв ки при бурении с имитацией забойных условий, результаты которых могли бы внести ясность в понимание механизма проявления очищающей спо собности струй. К счастью, более 35 лет назад Финстра и ван Лювен про вели эксперименты, которые не потеряли свою научно-методическую цен ность до настоящего времени. Они, во-первых, первыми сказали о сущест вовании “динамической прижимающей силы” (dynamic hold down), кото рой подвергаются частицы породы в разрушаемом слое забоя. (Механизм проявления этих сил без учета воздействия гидромониторной струи впо следствии был исследован Н.А. Колесниковым [75, 76]). Исследуя (на стенде с воспроизведением забойных условий) влияние скоростей истече ния на бурение шарошечным долотом, они установили, что зависимости 6(g), полученные при увеличении скорости истечения с 12 до 70... 100 м/с и представленные в логарифмических координатах, образуют две парал лельные прямые. В обычных координатах, т.е. на диаграмме бурения, это означает уменьшение g0 и увеличение Кг и Кх. Следовательно, увеличе ние скорости истечения струй обеспечивает кажущееся уменьшение пока зателя прочности породы g0, а также сопровождается увеличением эффек тивности разрушения. Этот вывод имеет громадное значение: если удовле творительно объяснить описанный эффект, то можно существенно про двинуться в объяснении мехенизма очистки забоя под действием гидромо ниторных струй, а затем и в направлении создании методики прогнозиро вания количественного влияния гидромониторных струй на работу долот.
В разделе 1 кратко изложены, а в разделах 3.1 - 3.4 детально исследо ваны закономерности фильтрационных потоков, возникающих на забое под воздействием подвижных гидромониторных струй. Напомним, что в зоне непосредственного воздействия струй на породу (кольцевая перифе рийная зона забоя) при благоприятных условиях возникают обратные фильтрационные потоки, способствующие отделению частиц породы от забоя путем создания временной депрессии на забое. При благоприятных условиях состояние депрессии (или существенного снижения величины репрессии) сохраняется до прихода зубьев долота. Следовательно, усло вия разрушения периферийной части забоя становятся отличными от ос-
121
г . ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ
_________________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ_________________
тапьной части забоя: периферийная область разрушается легче, буримость пород искусственно повышается.
Чем больше J, тем выше интенсивность промывки забоя, тем в боль шей степени условия очистки и разрушения забоя периферийной части за боя отличаются от центральной. В результате действия гидромониторных струй происходит неизбежное перераспределение реакции забоя таким об разом, что силы Р„, действующие на периферийный венец (рис. 3.5.1), уменьшаются, а силы Рс и Р ,, действующие на средний и вершинный вен цы - увеличиваются. Прирост механической скорости бурения объясняет ся, таким образом, увеличением нагрузки на зубья (зубки) средних и цен тральных венцов, происшедшим без увеличения нагрузки на долото в це лом и как результат частичной разгрузки периферийных венцов. Степень неравномерности в распределении осевой нагрузки на долото между пери ферийными и другими венцами зависит от интенсивности проявления об ратных фильтрационных потоков, что, в свою очередь, зависит от интен сивности гидромониторной промывки, оцениваемой критерием J.
При отсутствии обратной фильтрации |
силы Р„, Рс и Р„ будут опреде |
ляться из соотношений: |
|
Ри q« Ln, Рс —qe /-( и |
Рв цв Le , |
где q„ , q, ,q„ - удельные силы реакции забоя на зубья венцов, a L„, Lc , La - ширина венцов. Долота проектируются таким образом, чтобы обеспечить равномерный износ зубьев долота на всех венцах, что возможно только при q„ = qt = q„ = q.
При наличии на периферии забоя обратной фильтрации силы реакции забоя будут иными:
Рп.1 q«I'L, 1 Рс.г ~ q.j- Д и Ра.г~ q*rL, .
В результате действия гидромониторных струй существенно умень шится удельная реакция на периферийные венцы так, что будут справед ливо соотношение:
qn.r ^ qar t
где qar = qir = днГ- удельная реакция забоя на “центральные” венцы. Между q и g зависимость самая непосредственная. Если q - это ре
ально действующая на зубок венца удельная реакция забоя, вызванная осе вой нагрузкой на долото, то g - это по сути условная величина, понимаемая как нагрузка, отнесенная к единице диаметра долота, хотя известно, что указанная нагрузка, строго говоря, распределяется только по радиусу (сумма длин зубьев, дейтвующих на породу, приблизительно равна радиу су долота). Следовательно, если принять, что гидромониторной промывки нет и реакция забоя распределяется равномерно вдоль радиуса, то
q ~ 2 g .
Если бы все венцы шарошки имели “собственные" струи и весь забой ими обрабатывался, то возросла бы буримость всего забоя, а на диаграмме
122
3 . ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РЛЭРУШАЕМУЮДО.ПОТОМ ПОРОДУ
_________________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ________________
бурения произошло бы уменьшение до зн ач ен и я ^ , при этом возрос ли бы и угловые коэффициенты до величин К,/- и Ку/.
На рис. 3.5.2 показана диаграмма бурения, на которой отражены обе ситуации: без применения гидромониторных струй и при использовании струй для обработки всего забоя (в индексах величин есть буква “Г”).
Рис. 3.5.1. Схема распределения действующих на шарошку сил при бурении гидромониторными долотами.
Введем относительную величину: |
|
go'r = go.r/go, |
(3.5.1) |
которая является функцией критерия |
интенсивности гидромониторной |
промывки J, конкретное выражение которой приведено в разделе 3.
При применении серийных гидромониторных долот, когда гидромони торному воздействию подвергается только периферийная часть забоя, про цесс разрушения описывается двумя диаграммами: средний и вершинный
123
ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ
_________________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ
венцы разрушают забой по “законам” первой, а периферийный - в соот ветствии со второй.
Рис. 3.5.2. Видоизменеие диаграммы бурения в результате воздействия на забой скважины гидромониторной струи.
Возможны три характерных случая:
1- й случай: при заданных п и g все венцы шарошек разрушают за бой при поверхностном режиме разрушения (ЛПР); на рис. 2.4.2 этому случаю соответствует бурение с St ; все величины, относящемуся к дан ному варианту будут иметь индекс “1”.
2- й случай: при заданных п и g периферийные венцы разрушают за бой при поверхностном режиме разрушения (ЛПР), остальные - при объ емном (ЛОР); проходка за оборот равна <5>.
3- й случай: все венцы работают в режиме ЛОР (индекс “3”); проходка за оборот равна <Sf .
Рассмотрим 1-й случай. Предположим, что при заданных параметрах режима бурения и промывки 8 = 6, . Из рис. 3.5.2 видно, что данное усло вие обеспечивается, если удельная нагрузка на периферийные венцы будет равна g ,) ц-, а на другие - g А . Из условия S = 8, = const:
8i = Ks g ш ,
124
3. ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ
_________________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ_________________
|
|
8/ - K,r g siг ■ |
|
|
||
Отсюда: |
|
g sir = (К, / К,r)g |
s i . |
(3.5.2) |
||
Выразим |
К, через К, и т: |
|
||||
|
|
К' = Ку/т , |
|
(3.5.3) |
||
аналогично |
КгГ=/тг. |
|
|
|
(3.5.4) |
|
По Бингхэму (условие |
постоянства коэффициента эффективности до |
|||||
лота): |
|
g„r / g 0 = |
<KJKy,) \ |
(3-5.5) |
||
|
|
|||||
поэтому |
Kv/ K vr = {goi/g„)0 i - |
(3.5.6) |
||||
Подставив (2.4.3), (2.4.4) в (2.4.1), и с учетом (2.4.5) получаем: |
|
|||||
|
|
т , |
, |
• |
,0 5 |
(3.5.7) |
|
|
Stir'-------(Sol) 8»,. |
||||
|
|
т |
|
|
|
|
Относительная величина |
g„'r, как указывалось выше, является функ |
|||||
цией критерия J. Следовательно, степень разгрузки периферийных венцов и перегрузки центральных зависит, в основном, от критерия J.
Если считать, что ширина всех венцов одинакова, то получается урав нение, отражающее распределение осевой нагрузки по венцам:
gsir + 2gs i = 3g . |
(3.5.8) |
Подставим gsu из (2.4.7) и получим формулу для g |
|
3 g |
(3.5.9) |
8 sj =' |
|
Задавшись осевой нагрузкой на долото g |
по формуле (3.5.9) можно |
найти g si, от величины которой зависит скорость бурения и износ воору жения и опоры долота.
Для предельной диаграммы бурения т = тг = тп1, и тогда формула
(3.5.9) примет вид: |
|
|
|
8 Si = / , |
\о,5---- Г |
(.3.5.10) |
|
(sir |
)° |
+ 2 |
|
Подставив (3.5.9) в (3.5.8) получим формулу для вычисления g 6ц |
|||
а |
3g |
|
|
о Ь1Г |
|
п |
(3.5.11) |
При расчетах удобнее пользоваться относительными величинами: |
|||
g\st = g'sj/g |
, |
(3.5.12) |
|
g'sir= g'sir/g ■ |
(3.5.13) |
||
Тогда формулы (3.5.9) |
и |
(3.5.11) примут вид: |
|
125
i в о з д е й с т в и е г и д р о м о н и т о р н ы х с т р у й н а 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 Р Е Ж И М А ПРОМЫВКИ С К В А Ж И Н Ы _____________________
s ‘, |
|
(3.5.14) |
|
3 |
(3.5.15) |
1 + |
— |
|
оТ |
|
|
|
*'• fo r) |
|
Поскольку g„'r = f(J), |
то задачу прогнозирования перераспределения |
|
осевой нагрузки между венцами для 1 -го случая можно считать решенной, если известна упомянутая функция, которая, как показано в разделе 5, имеет вид:
8 „ г= \-22.5J3п exp(-3AJ) |
при |
0,5 < J < 1,5 ; |
|||
g'„i = 0,98-0,067(-2-У )2 |
при |
-2 < J < 0,5 ; |
|||
g \r ■= 1 |
|
|
при |
|
J < -2. |
Рассмотрим 2 - случай. Из условия S 2 = const |
следует, что |
||||
= Ksf g Ц2Г, |
|
|
|
||
&2 = Kt (g ,42 ' g j- |
|
|
|||
В результате имеем зависимость |
|
(3.5.16) |
|||
8 ,421' ~ g S2 (К, / К,г)- gs (К, / Ksr). |
|||||
С другой стороны, |
|
|
|
|
|
g « r + 2 g « |
= 3 . |
|
|
(3.5.17) |
|
Решая данную систему уравнений (аналогично 1-му случаю), получаем |
|||||
формулы для определения g « |
и g г2Г при заданном g : |
||||
3g + g„mr{g l,^ |
|
(3.5.18) |
|||
8/42 |
|
|
|
|
|
2 + mr [g'nl)°'S |
|
|
|||
3g - 2g„ |
|
|
(3.5.19) |
||
8/121 |
|
|
|
|
|
1+ |
- |
|
|
|
|
B безразмерном виде: |
rislrt"’ |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
3 + |
ь ( ё ы Т |
|
|
||
2 + т, |
|
|
|
(3.5.20) |
|
к , |
Г |
|
|
||
3 - г / * ; |
|
|
(3.5.21) |
||
8,4 21 ~ |
|
|
|
|
|
| + — |
|
|
|
|
|
|
тг |
|
|
|
|
Рассмотрим 3-й случай. По условию задачи |
|
||||
<51 = K v ( g |
из - |
g „ ) , |
|
|
|
= K „ r ( g м г - g o t ) ■ |
|
|
|||
1 2 6
3. ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ _
По аналогии с предыдущими случаями получаем решения:
s * i = ----------_ |
/ . w.j"— |
(3.5.22) |
||
|
|
2 + I g J |
|
|
3g(g„, Г' |
-2g„(gl, r | l - [ g i r t * |
I |
||
|
|
|
|
(3.5.23) |
В безразмерное виде: |
|
|
||
_ |
|
зАкЛ-кГ |
|
|
_ |
S o |
/ . \0.5 |
(3.5.24) |
|
S i 3 |
” |
|||
|
|
|
^ + (go/) |
|
|
3(gi/ T5-4-(g'rr i - {sir f s |
|||
S i i |
|
|
So |
(3.5.25) |
|
|
|
||
В формулах (3.5.20), (3.5.21), (3.5.24), (3.5.25) g / = g/g„. Напомним, что g„ /• является функцией только критерия J.
Решение задачи прогнозирвания перераспределения осевой нагрузки по венцам шарошек, а вместе с тем и прогнозирования скорости бурения и износа долота под влиянием гидромониторной промывки, сводится, таким
образом, к прогнозированию goT, К, г и |
/ в зависимости от критерия |
промывки J. |
|
127
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ ДОЛОТ И ЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ
4.1. Экспериментальная установка и методика исследований
Исследования струй и испытания гидромониторных насадок проведе ны на опытной установке, схема которой показана на рис. 4.1.1. В корпусе 1 смонтирована подвижная часть - центральная труба 2 со штурвалом 3, на нижнем конце которой с помощью накидной гайки крепится насадка 5. В днище корпуса 6 помещена соосно с насадкой 5 трубка Пито 7. Простран ство между насадкой и трубкой Пито образует рабочую камеру-тупик. В выкидной линии 8 установлен штуцер 9 для создания заданного планом эксперимента противодавления в рабочей камере. Подводящий канал к на садке образуется патрубком 10. Давление измерялось образцовыми мано метрами 4.
Подводящий канал, образованный патрубком 10 с калиброванными от верстиями, служит для моделирования схемы потока в промывочном узле долота, стабилизации его перед входом в насадку для лучшей воспроизво димости результатов измерений. Длина его равна шести диаметрам вход ного отверстия насадки и самого патрубка: 6.20=120 мм. Известно [4], что такой длины недостаточно для обеспечения полной стабилизации потока, но специальные опыты показали, что увеличение длины патрубка 10 свы ше 6(!„„ не оказывает существенного влияния на характеристики струи. В то же время при длине 120 мм удается создать компактную установку.
В качестве рабочего агента использовались вода или водные растворы полимеров, например, КМЦ, с добавкой иногда ПАВ. Жидкость, не обла дающая абразивными свойствами, подавалась в установку многоступенча тым центробежным насосом с приводом от синхронного электродвигате ля мощностью 350 кВт, способным развивать давление до 6.5 МПа при расходе до 50 дм’/с. После стенда жидкость попадала в мерную емкость (при замерах расхода объемным способом) и в сливную емкость, откуда возвращалась в приемные емкости другим, низконапорным, центробеж ным насосом.
Промывочные системы долот и скоростные поля отраженных от забоя потоков исследовались на другой, аналогичной по схеме потока жидкости установке, имеющей увеличенный по внутреннему диаметру корпус, дос таточный для размещения долота диаметром 214 мм. Обе установки были унифицированы по размерам входного и выходного патрубков, что упро щало замену установок и подсоединение измерительных систем.
4 . ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ ДОЛОТ И ЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ
Рис. 4.1.1. Схема стенда для испытания насадок и исследования затопленных гидромониторных струй.
129
4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ промывочных утлое ГИДРОМОНИТОРНЫХ долот
ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ
Конструкции опытных установок позволяли испытывать любые мо лельные (изготовленные из стали) или натурные (минерало-керамические) насадки при скоростях истечения, как правило, не менее 70...80 м/с, что обеспечивало испытание струй, насадок и промывочных узлов долот в ус ловиях развитой турбулентной автомодельности (при Re > 8* 10s ).
4.2. Исследование гидравлических сопротивлений промы вочных узлов гидромониторных долот
Преобразование перепада давления на долоте р,, в кинетическую энер гию гидромониторных струй, оцениваемую относительной величиной на чального гидродинамического давления струй в наиболее узком сечении проточной части насадок p jp ,s , сопровождается потерями давлений на входе в промывочное отверстие долота (в подводящем канале) и в сменной гидромониторной насадке (именно по этой причине указанное отношение всегда меньше 1). Уменьшение этих потерь и точный их расчет являются непременными условиями рационального использования забойной гидрав лической энергии и определения оптимальных режимов промывки сква жины.
Для оснащения гидромониторных долот применяются так называемые “короткие” насадки, протяженность проточной части которых, как прави ло, меньше наружного диаметра насадки. Гидравлические характеристики таких насадок с различным оформлением проточной части впервые наибо лее полно были исследованы экспериментально А.К. Козодоем, но в опы тах, результаты которых изложены в работе [62, 63], не учитывалось влия ние давления среды за насадкой (противодавления) на коэффициент расхода последних. В работе [64] А.К. Козодой предпринял попытку так же сформулировать некоторые принципы выбора конструктивных разме ров промывочных узлов гидромониторных долот, обеспечивающие более рациональное использование забойной гидравлической мощности. В част ности, А.К. Козодой дал количественную оценку влияния размеров подво дящего канала на коэффициент расхода промывочной системы долота в целом [79]. Позже П.Ф. Осипов , А.К. Козодой и Е.П. Варламов с исполь зованием описанного в предыдущем разделе опытного стенда провели се рию гидравлических испытаний насадок и промывочных узлов долот с учетом влияния противодавления на их гидравлические характеристики. Частично результаты этих исследований изложены в работах [119, 23]. Ниже дается полное описание результатов этих и осуществленных позднее П.Ф. Осиповым (совместно с Е.П. Варламовым) дополнительных экспе риментальных исследований потерь давления в элементах промывочных узлов долот. Они дали возможность не только внести существенные уточнения в величины коэффициентов расхода различных насадок, но и завершить начатую А.К. Козодоем разработку основных принципов кон струирования промывочных систем долот, а также разработать (с участи
130