книги / Оптимизация режимов бурения гидромониторными шарошечными долотами

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ ПОИСКАОПТИМлЛЬНЫХ ГЕЖИМОВ РАЗРУШЕНИЯ

И ОЧИСТКИ ЗАБОЯ с к в а ж и н ы л р и б у р е н и и гидромониторными шарошечными долотами

2-я пачка: глины (более 90%), песчаники, аргиллиты от среднетриа­ совых до нижнепермских отложений, породы мягкие с прослоями средних;

L «--6

Рис. 1.2.2. Влияние скорости истечения струи на стойкость доло г.

3- я пачка: переходная от терригенных пород к карбонатным и пред­ ставлена переслаиванием известняков, доломитов, глин от нижнепермских до верхнедевонских отложений;

4- я пачка: известняки, доломиты, мергели (карбонатные породы) с редкими прослоями гипсов и ангидритов верхнедевонских отложений, по­ роды средние и твердые;

5- я пачка: глины с прослоями известняков кыновского и саргаевского ярусов верхнедевонских отложений, породы средние;

6-я пачка: известняки, доломиты, глинистые известняки нижнедевонских и силурийских отложений, породы средне-твердые.

Итак, преимущественно глинистые породы - это I -я, 2-я и 5-я пачки, а преимущественно карбонатные породы - это 4-я и 6-я пачки.

31

I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ ПОИСКЛОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАЗРУШЕНИЯ

^ Ч И С Т ^ ^ А Б ^ ^ Ж ^ Ж И Н Ь Ц Ц ^ Щ ^ ^ ^ Щ Р О М М Ш Т О Р ^ ^ т ^ Н А Г О Ш Е Ч Н Ш Ш Д О Л О ^ ^

до 130 м/с (в сравнении со скоростью истечения 70 м/с).

На рис. 1.2.4 и 1.2.5 приведены зависимости средней механической скорости бурения от реологических параметров бурового раствора, уменьшение которых до минимально возможных значений является важ­ ным условием эффективного применения гидромониторных долот,

В работе [154] приведены результаты промысловых исследований влияния коллоидности бурового раствора, концентрации твердой фазы и фильтрации (водоотдачи) бурового раствора на v„. Было установлено, что существуют оптимальные значения технологических показателей, в том числе показателя фильтрации, при соблюдении которых повышается веро­ ятность успешного применения гидромониторных долот. Эту часть работы можно назвать определением оптимальных условий эффективного приме­ нения гидромониторных долот.

32

I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ п о и с к л о п т и м л л ь н ы х РЕЖИМОВ РАЗРУШЕНИЯ |^ЗЧ И ^^Щ А Б О Я С К В А Ж ™ Ы П Р 1П ^Р Е Н И ^Г О ууЮ М ади Т О Р ™ М И 11|А Р О Ш Е Ч 1Ш М 1у|аЛ О ^М 1^

Рис. 1.2.4. Влияние динамического напряжения сдвига бурового раствора на механическую скорость бурения:

1 и 2 - четвертая пачка буримости; 3 и 4 - пятая пачка буримости.

Рис. 1.2.5. Влияние пластической вязкости бурового раствора на механическую скорость бурения:

1 и 2 - четвертая пачка буримости; 3 и 4 - шестая пачка буримости.

Данные, приведенные на рис. 1.2.6 интересны тем, что иллюстрирует явное преимушество долот с гидромониторной промывкой. Привлекает внимание то, что намечается тенденция к сближению линий при глубине

33

I.СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ ПОНСКАОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАЗРУШЕНИЯ

ИОЧИСТКИ ЗАБОЯ СКВАЖИНЫ ПРИ БУРЕНИИ ГИДРОМОНИТОРНЫМИ ШАРОШЕЧНЫМИ ДОЛОТАМИ

более 2000 м, что подтверждает вывод о существовании предельной глу­ бины эффективного применения гидромониторных долот, что было сдела­ но раньше на основании результатов промысловых работ в 1-м примере.

Сопоставление результатов промысловых исследований, проведенных в двух различных регионах е весьма высокой методической строгостью, подводит к основному выводу о явной целесообразности применения гид­ ромониторных долот, по крайней мере, до глубин 2000 ... 2500 м.

Анализируемые исследования, доказав (в принципиальном плане) тех­ ническую и экономическую целесообразность увеличения скорости исте­ чения струй из насадок, породили много новых вопросов, не ответив на которые невозможно создать методику прогнозирования показателей рабо­ ты гидромониторных шарошечных долот.

Результаты других исследований [46, 103, 104, 136, 174 и др.] в основ­ ном подтверждают изложенные выше выводы, создают мозаику из эффек­ тов от применения гидромониторных долот, как правило, не совпадающих ни по величине, ни по характеру влияния параметров промывки на работу гидромониторных долот.

Известны попытки некоторых исследователей увязать выбор парамет­ ров промывки с величиной механической скорости бурения или с выбором величин “силовых” параметров бурения.

Бургуайн А. Т. [92] предложил даже эмпирическую зависимость удельной гидравлической мощности JVv(, (кВт/CM2) от механической ско­ рости бурения v„ (м/ч):

Л ^ -0 ,1 3 уи<|/3).

Однако такая постановка не представляется корректной хотя бы потому, что механическая скорость сама является функцией забойной мощности. С другой стороны, связывать выбор N„, только с величиной механической скорости бурения означает признание того, что гидравлическую мощность надо больше тратить там, где, по сущуеству, нет особых проблем с буримостью, что противоречит самой цели совершенствования промывки скважины. Логичнее считать, что целесообразно увеличивать затраты за­

прежде всего, не мощность, а расход жидкости с целью минимизации гид­ родинамического давления в затрубном пространстве. Что касается мощ­ ности струй, то она, как известно, складывается не столько из расхода, сколько от перепада давления на долоте. В частности, из приведенной формулы следует, что в верхних интервалах, где высока механическая ско­ рость бурения, необходимо тратить больше гидравлической энергии, чем при бурении глубокозалегающих пород с низким уровнем величин vM, что не соответствует действительности.

34

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ ПОИСКЛОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАЗРУШЕНИЯ

и^ чи^^ща^ ^ скв^^ш^ пр^ буре^^^^цромонитор^ ^ ^ шарошечнымщ^^о^ м^

глубина скважины, м

Рис. 1.2.6. Изменение средней механической скорости бурения с глуби­ ной скважины при использовании различных схем промывки долот (данные Г.Ф. Скрябина): 1 и 3 - долота с центральной промывкой; 2 и 4 - гидромониторные долота.

Фуллертон [92] предложил универсальную зависимость между N„, и величиной удельной механической мощности (в расчете на единицу диаметра долота), затрачиваемой на разрушение забоя долотом. Такой подход представляется еще менее убедительным. Дело в том, что удельная механическая мощность на шарошечном долоте - величина, относительно мало зависящая от условий бурения, от механических свойств пород, от глубины скважины, в то время, когда результаты реализации этой мощно­ сти (та же механическая скорость бурения) изменяются весьма сильно.

Подводя итог опыту проектирования и применения гидромониторных долот можно сказать, что:

- влияние гидромониторной промывки (“боковой” промывки с ис­ пользованием высокоскоростных затопленных струй) на механическую скорость бурения и другие “выходные” показатели бурения очевидно;

35

I.СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПГОбЛЕМЫ ПОИСКАОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАЗРУШЕНИЯ

-промывка забоя скважины традиционно проектируется без учета взаимозависимости между силовыми параметрами и параметрами промыв­ ки, а гидравлические программы промывки при бурении гидромонитор­ ными долотами составляются без учета величин силовых параметров в на­ дежде на то, что интенсификация промывки окажется полезной;

-современного промыслового опыта недостаточно, чтобы сформу­

лировать алгоритм взаимовлияния силовых параметров и параметров про­ мывки забоя и, на этой основе, разработать алгоритм прогнозирования по­ казателей работы долот.

Начиная с 60-х годов предпринимались неоднократные попытки при­ менения гидромониторных долот в турбинном бурении. Обоснованно счи­ талось, что одним из основных факторов, препятствующих эффективному применению последних, является недостаточная герметичность нижнего узла турбобура, особенно в конструкциях с уплотнением вала проточного типа. Считалось, что уменьшение диаметра насадок, вызывая уменьшение расхода жидкости через долото на величину возросших утечек жидкости через уплотнение, приводит к уменьшению гидравлической мощности, за­ трачиваемой на очистку забоя. Между тем в работе [116] П.Ф. Осипов по­ казал, что при постоянной подаче насосов зависимости гидравлической мощности или силы удара струй имеют максимум. Следовательно, имеется возможность подобрать конкретный вариант набора насадок, при котором интенсивность промывки достигала максимума, несмотря на наличие и возрастание утечек. В связи с появлением шпиндельных турбобуров про­ блема утечек превратилась в проблему влияния повышенных перепадов давления на износ уплотнений вала турбобура непроточного типа. П.Ф. Осиповым с соавторами были предложены, разработаны и успешно испы­ таны устройства (А.с. СССР 212906 и А.с. СССР 215154), которые обес­ печивали уменьшение перепада давления на уплотнение вала при сохране­ нии запланированного перепада на долоте. Личный опыт авторов и из­ вестный из литературы опыт применения гидромониторных долот с повы­ шенным перепадом на долоте при турбинном бурении [115, 117, 118, 136] доказывают, что положительный результат при этом достигается, несмотря на относительно низкие скорости истечения жидкости из насадок (45...60 м/с) по сравнению с роторным бурением. Представляется, что этот факт ждет своего объяснения.

В 70-х и в первой половине 80-х годов активизировались стендовые и промысловые исследования, имеющие конечной целью совершенствова­ ние промывки забоя скважины при бурении гидромониторными шарошеч­ ными долотами. Часть работ имеет явно выраженный познавательный ха­ рактер и направлена на изучение процесса очистки забоя, авторы других стремились модернизировать промывочные узлы гидромониторных долот (часто тоже через изучение в стендовых условиях) для более рационально­ го использования гидравлической энергии струй.

36

I.СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ ПОИСКЛОПТИМЛЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАЗРУШЕНИЯ

иочистзсизА Бо^скмтгащ ц^У РЕЩ Щ Щ омонитмчщ ^щ лгош стны мищ оломми^

Стратегия изучения и совершенствования промывки строилась на том, что:

- если любая частица выбуренной породы своевременно удаляется с забоя и сразу уносится в кольцевое пространство над долотом и отсутст­ вуют признаки повторного перемалывания шлама, то такую промывку можно считать совершенной (иногда говорят “удовлетворительной”);

- разрушение породы потоком бурового раствора, в том числе гидро­ мониторной струей, маловероятно и, если это и имеет место, оно несуще­ ственно, носит сугубо вспомогательный характер, за исключением случаев бурения несцементированных или слабоконсолидированных пород [19, 37,101, 103, 136].

Исходя из такого представления о роли бурового раствора в очистке забоя скважины, исследователи сосредоточились , в основном, на разра­ ботке и внедрении технических средств и технологических решений для управления потоками жидкости над забоем и в пространстве, занимаемым долотом, с целью добиться минимума времени на транспортировку вы­ буренной породы от забоя до затрубного пространства, справедливо пола­ гая, что это самым положительным образом скажется на показателях рабо­ ты долот, в том числе гидромониторных.

Впервые картину транспортировки шлама (выбуренной породы) в зоне долота (в пространстве, занятом корпусом долота и шарошками) исследо­ вали с применением метода скоростной киносъемки на прозрачной модели забоя скважины А.М. Гусман и Б.И. Мительман [39]. Наиболее важным ре­ зультатом этих исследований явилось доказательство необходимости ис­ пользования эффекта асимметрии в промывке гидромониторными струями путем применения разноразмерных насадок или применения двух насадок вместо трех [38].

Впервые измерение скоростей и направлений потоков, порожденных гидромониторными затопленными струями, в зоне неподвижного натурно­ го долота, в области, непосредственно примыкающей к забою, осуществи­ ли в ВолгоградНИПИнефти А.К. Козодой, Е.П. Варламов и П.Ф. Осипов

[71].Они установили, что:

-отраженные от забоя струйные потоки не доходят до центра долота, резко затухая уже на расстоянии 1/3 радиуса скважины (отсчет от стенки к центру),

-отраженные потоки со скоростями, соизмеримыми по величине со скоростями самой струи при встрече с забоем, расположены в непосредст­

венной близости от плоскости забоя; скорость потока на высоте 5 мм ока­ залась приблизительно в 3 раза меньше скорости, измеренной на высоте 0,5 мм от забоя, а на высоте 15 мм скорости весьма малы по сравнению со скоростями на забое скважины.

Экспериментальные исследования механизма очистки забоя скважины были осуществлены в Уфимском нефтяном институте (УНИ) под руково­

37

1. СОВРЕМЕННО!: СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ ПОИСКАОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАЗРУШЕНИЯ 8^ ^ З Ч И С Т К ^ А Б 0 1 ^ К ^ Ж И Н Щ 1 Р И ! БУ РЕН И ^^Щ О М О Н И Т О РН Щ Ш ^А РО Ш Е Ч Н Ы № Ц |О Л О ™ »Ш в я

дством М.Р. Мавлютова [191]. Были обоснованы и предложены асиммет­ ричные схемы промывки с использованием двух и одной насадки, приме­ нение “блуждающего” шарового клапана и использование полусфериче­ ской формы забоя для эффективного удаления шлама с забоя. [80, 81].

Исследования гидродинамики потоков на забое скважины с использо­ ванием экспериментальных установок ВолгоградНИПИнефти и УНИ были продолжены группой исследователей под руководством Н.А. Жидовцева [50-51]. Были испытаны более 50-ти различных схем промывки, базирую­ щихся на конструкциях серийных гидромониторных долот, и предложены к внедрению защищенные авторскими свидетельствами технические ре­ шения, которые можно объединить в три группы:

1.Использование направленной вверх эжекционной насадки в сочетании с боковой гидромониторной промывкой.

2.Применение “центральной" промывки с помощью насадки, фор­ мирующей одну центральную и три плоских струи, направленных на шарошки или межшарошечное пространство.

3.Использование различных вариантов комбинаций из первых двух типов промывки.

Вработе [50] утверждается, что “наиболее перспективными благодаря своей простоте и эффективности являются долота с центральной щелевой насадкой, которые обеспечивают рост показателей бурения по проходке на 30 - 50 % и механической скорости бурения - 10 - 20 %”. Как видно, соот­ ношение приростов показателей противоположно тому, что было обна­ ружено ранее при анализе работ гидромониторных долот. При совершен­ ствовании “центральной” промывки, где струи не воздействуют непо­ средственно на забой и участвуют только в транспорте шлама, проходка

на долото, как правило, увеличивается в большей степени, чем меха­ ническая скорость бурения.

Из всего изложенного следует, что накоплен значительный по объему

иразнообразию опыт использования серийных гидромониторных долот и их модернизированных вариантов. По литературным данным все они обеспечивают увеличение показателей работы долот в той или иной степе­ ни. Ввиду противоречивости результатов эти данные невозможно исполь­ зовать для разработки методики прогнозирования эффекта от применения высоконапорных струй, что дает основание утверждать, что в настоящее время нет достоверных промысловых данных, на основании которых

можно было бы составить универсальный алгоритм расчета ожидае­ мых показателей бурения в однородных породах в зависимости от из­ менения параметров или схем промывки забоя скважины.

Вотношении прогнозирования результатов применения гидромони­ торных долот в неоднородных породах следует признать, что этот фактор существенно усложняет задачу создания методики такого прогнозирова­ ния. Выше был описаны промысловые исследования промывки скважины,

38

i. современное состояние и проблемы поисклоптимлльных режимов Разрушении

^^ОЧНЩОЦАБО^^^ЖИН^|^^УРЕН^^ПЩОМС>Н^ОРНЫМ^иА№ШЩНЬ1М1И^ОЛОГАМ1 _

выполненные под руководством Г.Ф. Скрябина [154]. Интересно отметить, что не удалось получить ни одной надежной зависимости механической скорости бурения, например, от скорости истечения струй, для третьей пачки “равной” буримости, представленной частым чередованием (пере­ слаиванием) весьма неоднородных пород: известняков, глин, доломитов. Причина этого - внутренняя неоднородность условно однородной пачки, когда каждое долото успевает пробурить несколько разных пород, сущест­ венно отличающихся по механическим и абразивным свойствам. Вместе с тем следует признать, что подобного типа неоднородность - явление ско­ рее типичное, чем исключительное, и потому разработка методики прогно­ зирования влияния гидромониторной промывки, воспринимающей смену пород в процессе отработки долот как норму и являющейся органической частью методики прогнозирования интегральных показателей шарошеч­ ных долот, становится важнейшей научной и практической задачей.

Представляется, что разработать методику прогнозирования количест­ венного взаимовлияния параметров гидромониторной промывки на пока­ затели бурения шарошечным долотом возможно только через познание роли струй в процессе очистки забоя от выбуренной породы. Пока же в этом вопросе доминируют взгляды (гипотезы) о чисто “механическом” ис­ пользовании отраженных струй для транспорта уже отделенной от забоя частицы породы. Выше уже отмечалось, что такое представление о роли высоконапорных струй, удовлетворительно объясняя прирост механиче­ ской скорости бурения от увеличения скорости истечения струй в условиях хорошей буримости, не может объяснить прирост показателей при буре­ нии пород с низкой буримостью, когда начальная механическая скорость не превышает 8... 10 м/ч.

Исследуя процесс разрушения пород под действием затопленных струй воды и глинистых растворов с небольшим содержанием бентонитовой глины, А.К. Козодой и А.А. Босенко [19] экспериментально доказали, что:

- непосредственное разрушение консолидированных пород высокона­ порной “неподвижной” (не вращающейся относительно оси скважины) струей воды без механических примесей под воздействием только гидро­ динамического давления (при доступных для гидромониторных долот ско­ ростях истечения струй) практически невозможно;

-“неподвижная” струя воды может вызывать кавитационное разру­ шение забоя малой интенсивности при малых статических давлениях сре­ ды истечения, при которых возможно возникновение кавитации на грани­ це струи;

-“неподвижная” струя глинистого раствора вызывает эрозионное раз­ рушение пород весьма малой интенсивности.

Исследования ВНИИБТ [157, 158] подтвердили данные результаты.

Вработе [158] приведена сводка обсуждаемых в литературе по горно­ му делу воззрений на механизм разрушения пород под воздействием высо-

39

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ ПОИСКАОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАЗРУШЕНИЯ

^^О О Ч И С Т Ж И ^А БО Я С Ю В Л Ж И Н Щ Ш П ^РЕ Н И ^П Ш О М О Ю Е ГО РН ЬШ ЗЩ А РО Ш Е Ч Н Ы Ш Щ алО Т А М !^^

конапорной струи жидкости. Приведем часть из них, представляющая ин­ терес для глубокого бурения:

-усталостное разрушение в результате пульсационного воздействия на породу;

-скол выступов породы на забое;

-эффект гидравлического распора по трещинам в породе;

-фильтрация жидкости в породу под действием гидродинамического давления струи с последующим нарушением структуры породы.

Из перечисленных гипотез наибольший интерес представляет послед­

няя.

На возможность разрушения породы струей под воздействием фильт­ рующейся снизу вверх жидкости (в зоне, прилегающей снаружи к границе “пятна” поражения) указал Ю.И. Коваленко [59]. При этом имелось в виду,

что струя неподвижна (не перемещается относительно породы). Позднее А.Ф. Элькинд [186] предпринял попытку аналитически исследовать про­ цесс неустановившейся фильтрации в породе под воздействием “непод­ вижной” струи.

П.Ф. Осипов впервые предложил исследовать процесс неустановив­ шейся фильтрации на забое под воздействием перемещающихся (“подвиж­ ных”, вращающихся вокруг оси скважины) струй. Первые результаты ис­ следований опубликованы в работах [123, 124]. Выяснилось, что симмет­ ричные струи при благоприятных условиях могут инициировать возникно­ вение направленных в сторону скважины (“обратных”) фильтрационных потоков, способствующих отделению выбуренной частицы от забоя. Ис­ следованию и практическому применению эффекта обратной фильтрации посвящен раздел 3. Здесь достаточно указать на то, что интенсивность

(скорость) обратной фильтрации может стать количественным ре­ зультатом влияния интенсивности гидромониторной промывки, и потому появляется методическая возможность прогнозирования ко­ личественного влияния последней на работу долот.

1.3. Проблемы оперативного управления технологией углубления скважины и современное его состояние

Элементы оперативного управления технологией углубления скважи­ ны проявляются тогда, когда делается попытка откорректировать в сторо­ ну оптимальных проектные параметры режима бурения на основании опе­ ративной информации, полученной в процессе бурения скважины, и реали­ зовать их в текущем или предстоящем долблении. Для краткости изложе­ ния эта работа в дальнейшем будет называться “динамическим” проекти­ рованием. В полном объеме (от оперативного выбора уточненных пара­ метров до расчета ожидаемых показателей бурения) динамическое проек­ тирование в стране никем не проводилось. Одна из последних попыток осуществить оперативное управление процессом отработки долота отно­

40