книги / Оптимизация режимов бурения гидромониторными шарошечными долотами

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ ПОИСКАОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАЗРУШЕНИЯ

^1Ш Ч И С П «Ц А БО Я С К В А Ж И Н ЬМ 1Р1Ю |У РЕ Н ту'1адРО М О Н Ю О Р1Щ

сится к концу 60-х годов, когда совместными усилиями КуйбышевНИИ НП и Куйбышевского политехнического института [172] была разработана и внедрена станция контроля и управления турбинным бурением (СКУ). Наиболее интересным элементом станции был анализатор кривой “выра­ ботки” забоя без подачи инструмента, который мог включаться операто­ ром в любой момент текущего долбления для определения осевой нагрузки G0 , соответствующей максимальной механической скорости бурения vv„. Анализатор, таким образом, находил максимум критерия v„„ и соответст­ вующую ему величину G,, без участия человека в анализе процесса. Тот же анализатор следил за изменением текущей механической скорости бурения v„,„, и если она существенно и устойчиво отклонялась от v„„, то выдавала оператору команду на повторение теста для уточнения осевой нагрузки G,,. Из сказанного следует, что оперативное управление процессом бурения при использовании СКУ сводилось к периодическому уточнению G„ для поддержания процесса в режиме максимума зависимости vv(G).

Описанный вариант управления режимом бурения не может считаться примером динамического проектирования режима бурения. Дело в том, что:

- наличие явного максимума зависимости vM(G) является “привелегией” только турбинного бурения, и строго говоря, величина vM„ имеет только то значение, что соответствует режиму, когда турбобур развивает на забое наибольшую при данном расходе жидкости Q мощность;

- критерий уио и соответствующее ему значение G,, не являются инди­ каторами совершенства режима бурения хотя бы потому, что каждому зна­ чению Q приходится своя пара значений ут и G,,;

- отработка долота при нагрузке G„ совсем не означает, что она осуще­ ствляется в оптимальном режиме, прежде всего, потому, что G,, выбрана без учета получаемого при данном G„ конечного результата - итоговых

показателей работы долота.

Авторам известно о применении комплексов компьютерных программ при проводке скважин за рубежом, а также в отечественной практике мор­ ского бурения с буровых судов. Известно, что программы, обслуживаю­ щие углубление скважины, базируются на применении непрерывных (как правило, степенных) уравнений при описании процесса разрушения забоя долотом, и потому они не обладают способностью адаптироваться к час­ тым изменениям буримости пород в процессе бурения. Кроме того, они не могут прогнозировать результаты применения гидромониторной промыв­ ки, а оптимизация режима промывки осуществляется по известным энер­ гетическим критериям.

В литературе нет данных о применении компьютеров и компьютерных программ для реализации целей динамического проектирования техноло­ гии углубления скважины в отечественной практике бурения на суше. Ди­ намическое проектирование режима бурения, если поиск и реализация ре-

4 1

I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ поисклоптим лльны х РЕЖИМОВ РАЗРУШЕНИЯ

^^очистки^АБо^квАЖнны^1Р1^угении^щомонитотнь™1у1МРошЕчным>^алотАМ^^

шений осуществляется с применением ЭВМ, в принципе ничем не должно отличается от обычного, за исключением времени, отводимого на решение, и особенностей информационного обеспечения. Следовательно, решение проблемы разработки формализованной методики проектирования и реа­ лизующей ее компьютерной программы решит одновременно все принци­ пиальные проблемы динамического проектирования.

1.4. Постановка задач исследований

Из всего изложенного в разделах 1.1 - 1.3 следует, что в настоящее время повышение показателей работы путем определения оптимальных режимов бурения шарошечными долотами, в том числе гидромониторны­ ми, ведется исключительно эмпирическими методами по той причине, что не существует научно обоснованной методики проектирования режимов бурения в неоднородных по буримости породах, как нет и компьютерных программ, реализующих такую методику.

Отсутствие методики проектирования оптимальных режимов бурения связано с тем, что не сформулированы научно-методические принципы (основы) математического моделирования процесса бурения гидромони­ торными долотами, отражающие основные закономерности, описывающие все одновременно протекающие при работе долота процессы, и - как след­ ствие - не разработаны реализуемые математические модели, доведенные до конкретных расчетных алгоритмов (формализованных методик) и за­ канчивающиеся вычислением интегральных показателей по законченным (в модели) долблениям.

Для разработки математической модели работы шарошечного гидро­ мониторного долота необходимо решить две основополагающие пробле­ мы:

1) разработать методику прогнозирования результатов работы долота на забое в условиях произвольного изменения буримости пород;

2) разработать методику количественного прогнозирования влияния гидромониторной промывки на показатели работы долота.

Решение этих проблем обеспечит преодоление основных (и принципи­ альных) трудностей при разработке математической модели работы долота на забое и на ее основе - формализованной методики проектирования оп­ тимальных режимов бурения и реализующей ее компьютерной программы.

Для обеспечения разработки формализованной методики проектирова­ ния оптимальных режимов бурения (алгоритма программы) необходимо решить ряд подчиненных задач:

- исследовать и сформулировать закономерности влияния параметров режима бурения и износа вооружения долота на индикаторные характери­ стики процесса разрушения пород шарошечным гидромониторным доло­ том в глубокой скважине;

42

I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРОЕЛЕМЫ ПОИСКЛОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАЗРУШЕНИЯ

1 Щ и а и м о ^ к ш и н ц г Е т ^ ^ № о и т г а ш п ш л г а Е ч н м и щ о г д м ^

-разработать математическую модель работы долота в однородных породах и на ее основе - модель для условий изменчивости пород по буримости;

-разработать методику прогнозирования показателей работы долота

при бурении в условиях изменчивости пород по буримости; - исследовать процессы формирования гидромониторной струи с це­

лью разработки способов и технических средств рационального использо­ вания забойной гидравлической энергии;

-исследовать влияние параметров подвижной (вращающейся вокруг оси скважины) гидромониторной струи, геологических и технологических условий бурения на фильтрационные процессы в разрушаемой долотом породе и разработать на этой основе методы интенсификации очистки за­ боя скважины;

-разработать методику оптимизации промывки скважины при буре­ нии гидромониторными долотами с использованием критериев, управ­ ляющих интенсивностью фильтрационных процессов на забое скважины;

-на основе исследований возникающих под действием подвижных гидромониторных струй фильтрационных процессов в породе разработать методику определения количественного влияния параметров промывки за­ боя скважины на показатели работы долот;

-разработать способы и технические средства интенсификации про­

цессов разрушения и очистки забоя; - разработать расчетные алгоритмы и компьютерный программный

комплекс выбора оптимальных параметров режима бурения, в том числе параметров промывки.

Проблемы оперативного управления процессом углубления скважины (динамического проектирования) будут автоматически решены (потребу­ ется только решить методические и технические задачи информационного обеспечения), если будут решены перечисленные выше задачи, поскольку нет принципиальных отличий между динамическим и обычным проекти­ рованием.

43

2.НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДЕ ЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ, СОПРОВОЖДАЮЩИХ РАБОТУ ДОЛОТА НА ЗАБОЕ СКВАЖИНЫ

При турбинном бурении зависимость vM(G), если к ней не прилагается зависимость n(G), практически не пригодна для анализа и использования с целью совершенствования процесса бурения. Но если первую разделить на вторую и получить, заменив попутно G на удельную осевую нагрузку на долото g , зависимость 3(g), то появляется возможность для серьезных обобщений. На рис. 2.1.3 показаны зависимости n(g) и 3(g) , полученные П.Ф. Осиповым при турбинном (с использованием турботахометра) буре­ нии скв. 70-Кудиновская. Если зависимости vM(g), как известно, имеет явно выраженный максимум (на рисунке они не показаны), то зависимости 3(g) представляют собой прямые (почти без разброса опытных точек), исходя­ щие из начала координат, что является признаком того, что режим разру­ шения при этом был поверхностным на всем диапазоне изменения g.

удельная осевая нагрузка на долото, кН/мм

Рис. 2.1.1. Зависимость начальной механической скорости бурения мрамора на стенде долотом 1В-140Т при промывке скважины водой в атмосферных условиях (опытные данные Ю.Ф. Потапова и В.В. Симонова).

Приведенные на рис. 2.1.3 результаты промысловых исследований со­ гласуются с результатами аналогичных исследований, выполненных МЛ . Гусманом и А.И. Агеевым [34]. Они установили, что при бурении одно­ родных пород зависимость 3(g) не зависит от числа секций в турбобуре. Оказалось, что первичные зависимости vM(g) и n(g), относящиеся к турбо­ бурам с различным числом секций, отличаются весьма существенно и характеризуются большим разбросом точек, но при этом зависимости 3(g) образуют одну общую прямолинейную зависимость, исходящую из начала координат. Последнее свидетельствует о поверхностном режиме разруше­ ния и о том, что при турбинном бурении в однородных породах одной и

45

2.НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ,

СОПРОВОЖДАЮЩИХ РАБОТУ ДОЛОТА НА ЗАБОЕ СКВАЖИНЫ

той же зависимости 8(g) может соответствовать бесчисленное множество первичных зависимостей vu(g) и n(g), связанных с изменением числа сек­ ций, изменением расхода бурового раствора, с износом узлов турбобура и

т.п.

о

CL

о

ю

0

л

<п

01

о

с

о

а

ч

о

X

о

CL

с

Рис. 2.1.2. Диаграмма бурения мрамора на стенде в атмосферных ус­ ловиях долотом 1В-140 Т (1В6аТ) с промывкой водой (обра­ ботка опытов Ю.Ф. Потапова и В.В. Симонова).

Приведенных примеров достаточно для доказательства явных преиму­ ществ, которые предоставляются исследователю использование 8 вместо

уи ■

Бингхэм М.Г., доказав критериальный характер зависимости 8(g), раз­ вил метод анализа указанной зависимости при бурении шарошечными до­ лотами, по существу, до теории буримости. Основные результаты исследо­ ваний Бингхэма М.Г. сводятся к следующему:

1. Применение зависимости 8(g) позволяет систематизировать множе­ ство частных зависимостей vM(g,n), полученных в различных геолого­ технических условиях.

2. Для каждого типа вооружения долота существует верхнее предель­ ное положение графика зависимости 8(g), соответствующее бурению в ат­ мосферных условиях с промывкой водой или продувкой газом. Графики зависимости vM(g), полученные при разных я таким свойством не облада­ ют.

46

г. научно-методические основы моделирования процессов, СОПРОВОЖДАЮЩИХ РАКОТУ ДОЛОТА НА ЗАБОЕ СКВАЖИНЫ

Рис. 2.1.3. Диаграммы турбинного бурения (скв.70 - Кудиновская, задонско-елецкий горизонт):

А - интервал бурения 2142 - 2150 м;

Б- интервал бурения 2086 - 2096 м

3.Существование верхнего предельного положения зависимости 3(g) придают ей характер диаграммы, когда об особенностях конкретно проте­ кающего процесса судят по тому, как они располагаются на диаграмме бу­ рения.

4.При совершенной очистке забоя зависимость 6(g) можно аппрокси­ мировать двумя прямыми, одна из которых исходит из начала координат или из точки близко к нему расположенной, а продолжение второй, кото­

47

2НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ, СОПРОВОЖДАЮЩИХ РАБОТУ ДОЛОТА НА ЗАБОЕ СКВАЖИНЫ

рую Бингхэм называет “рабочей” линией, отсекает от оси g положитель­ ный отрезок 0g„ , являющийся (при бурении новым долотом) эквивалентом прочности породы (в дальнейшем при обозначении отрезка 0g„ ограничим­ ся величиной у,,). Использованию приема замены кривой двумя прямыми он придает настолько важное значение, что свою теорию даже назвал “ме­ тодом линейной аппроксимации”.

5.При “несовершенной” очистке забоя опытные точки образуют ли­ нии, отклоняющиеся вниз от второй из упомянутых прямых.

6.Каждое долото может быть оценено “коэффициентом эффективно­ сти” /и,/,, который подсчитывается на основании углового коэффициента рабочей линии Кг при бурении долотом без износа с промывкой водой в атмосферных условиях и величины g„:

= Kr g„ ,

причем ттф не зависит от износа вооружения долота.

7.Величины углового коэффициента рабочей линии АТ, (отношение AS

кAg) и gu зависят от типа вооружения долота, типа бурового раствора, ве­ личины давления на забой, интенсивности промывки и скорости вращения долота.

8.При изменении скорости вращения долота п или замене долота на долото с другим скольжением зубьев (смене типа вооружения) изменяются величины угловых коэффициентов прямых, но величина g„ остается неиз­ менной.

9.По мере уменьшения высоты зубьев долота в результате их износа возрастает величина g„ и уменьшаются угловые коэффициенты прямых.

10.Отношение угловых коэффициентов рабочей линии и начальной, по мнению М.Г. Бингхэма, всегда равно 2.

В теории буримости Бингхэма М.Г. имеются явные противоречия. Ос­

новные из них заключаются в следующем:

*Бингхэм М.Г. особую роль придает второй прямой, названной им рабочей линией. Предполагается, что она может быть всегда экс­ периментально получена, но это в глубоком бурении не всегда возможно, поскольку объемный режим не всегда достижим.

*Свойством предела, по мнению Бингхэма, обладает только диа­ грамма бурения, полученная при бурении в атмосферных услови­ ях. Прогнозирование величины <5 при бурении в условиях, отли­ чающихся от атмосферных, методически целиком построено на манипуляциях с параметрами предельной рабочей линии с ис­ пользованием понятия коэффициента эффективности долота. При бурении реальных скважин получить экспериментально предель­ ную рабочую линию (в понимании Бингхэма М.Г.) невозможно, что делает прогнозирование S проблематичным.

*Наибольшее возражение вызывает так называемая “линия мини­ мального углубления”, обладающая такими свойствами, которые

48

1 . НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ, СОПРОВОЖДАЮЩИХ РАБОТУ ДОЛОТА НА ЗАБОЕ СКВАЖИНЫ

часто находятся в явном противоречии с данными других иссле­ дователей.

*Влияние скорости вращения долота на положение характерных линий на диаграмме бурения освещено недостаточно. То же са­ мое можно сказать о влиянии износа долота.

Несмотря на перечисленные недостатки , опубликование теории буримости Бингхэма М.Г. стало важнейшим событием 60-х годов в области бурения. Что касается метода анализа зависимости 6(g), то он является ме­ тодом, пригодным в принципе быть методической основой математическо­ го моделирования процесса бурения шарошечным долотом для условий, когда отсутствуют продольные и крутильные колебания в бурильной ко­ лонне [187]. Диаграмма бурения в интерпретации Бингхэма М.Г. и его тео­ рия буримости не в полной мере отвечают этому требованию. Искомая диаграмма бурения может появиться только в результате обобщения всего позитивного, что достигнуто отечественными и зарубежными исследова­ телями в этой области.

Если соединить основные результаты изложенных ранее исследований (В.С. Федорова, В.В. Симонова и др.) с основными положениями теории буримости Бингхэма М.Г., то появится возможность построить контуры искомой диаграммы бурения, действительно отражающей основные зако­ номерности процесса бурения пород шарошечным долотом. На рис. 2.1.4 показана такая диаграмма. Видно, что общий вид зависимости 5(g), полу­ ченной в забойных условиях, представлен теми же элементами, что и ана­ логичная зависимость, полученная при бурении в атмосферных условиях. Отличаются они только тем, что вторая линия располагается ниже первой. На той и другой зависимости выделяются:

-линии поверхностного разрушения ( прямые 0а и 0а ), которые обо­ значим абревиатурой ЛПР (по Бингхэму - это вторичная рабочая линия);

-линии объемного разрушения ( прямые ab и а b ), которые в даль­ нейшем будем называть ЛОР (по Бингхэму - это рабочая линия);

-удельная осевая нагрузка на долото gs , соответствующая переходу от поверхностного режима разрушения к объемному; она в дальнейшем из­ ложении будет называться критической удельной осевой нагрузкой ;

-удельная осевая нагрузка gv , соответствующая началу отклонения

опытной линии от идеальной ЛОР; линии при g > g, в дальнейшем будут называться (без указания причин такого отклонения) “линиями замедле­ ния” (ЛЗ), поскольку на этой линии происходит явное замедление прирос­ та 5у

- удельная осевая нагрузка gM, соответствующая максимуму 5 „;

- мера реальной прочности породы - отрезок 0go, отсекаемый от оси удельной осевой нагрузки продолжением ЛОР; в дальнейшем вместо 0g„ будем указывать только g„;

49

2.НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ, СОПРОВОЖДАЮЩИХ РАБОТУ ДОЛОТА НА ЗАБОЕ СКВАЖИНЫ

-угловой коэффициент ЛПР Ks (отношение S/g) как мера эффективно­ сти бурения в режиме поверхностного разрушения забоя;

-угловой коэффициент ЛОР Kv (отношение S/(g-g0)) как мера эффек­ тивности бурения в режиме объемного разрушения забоя.

Рис. 2.1.4. Общий вид диаграммы бурения: 1 - бурение в атмосферных условиях; 2 - бурение в забойных условиях.

В связи с применением метода линейной аппроксимации Бингхэма не­ обходимо обсудить правомерность самого метода.

На рис. 2.1.5...2.1.7 показаны графики зависимостей 6(g), построенные после обработки данных Д. Роули и др. [166], которые разбуривали с про­ мывкой водой бикментаунский непроницаемый доломит на стенде, позво­ ляющем имитировать условия бурения на глубинах 305 и 914 м путем уве­ личения гидростатического давления в скважине. Кроме того, ту же поро­ ду для сравнения бурили в атмосферных условиях. Скорость вращения долота в процессе экспериментов изменялась от 60 до 400 мин'1. Экспери­ менты Роули и др. являются как бы усложненным вариантом опытов Ю.Ф. Потапова и В.В. Симонова, приведенных на рис. 2.1.1.

50