книги / Решение практических задач при бурении и освоении скважин

Р а з д е л 3

БУРОВОЙ ИНСТРУМЕНТ И РЕЖИМЫ БУРЕНИЯ СКВАЖИН

(DRILLING TOOL, DRILLING PRACTICES)

3.1 ВЫБОР ДОЛОТ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЙ БУРЕНИЯ

(Drilling bit selection for different drilling conditions)

Эффективность процесса разрушения горных пород на забое скважины зависит от конструктивных особен­ ностей долота, качества его изготовления и параметров режи­ ма бурения.

Универсальных долот нет. Долота различных типов и моде­ лей производительно работают только в определенной породе при определенном режиме. Каждую породу необходимо раз­ буривать таким долотом, которое дает наиболее высокие по­ казатели,

1. При разбуривании мягких (пластичных и вязких) пород более высокие показатели наблюдаются при бурении лопаст­ ными и шарошечными долотами с нижней промывкой, обла­ дающими при определенных условиях гидромониторным эф­ фектом.

2.При разбуривании весьма твердых и абразивных пород (окремнелых известняков, доломитов и др.) более высокие по­ казатели соответствуют штыревым долотам.

3.При разбуривании трещиноватых известняков и им по­ добных пород высокие показатели дают фрезерные долота.

4.Известно, что в основном модель шарошечных долот оп­ ределяет его конструкция: число шарошек, число и профиль зу­ бьев, форма шарошек и их положение относительно оси долота

изабоя и др. Поэтому при выборе модели шарошечного долота следует учитывать высоту зубьев, коэффициент перекрытия,

шаг зубьев, коэффициент проскальзывания, углы заострения зубьев и другие параметры рабочей поверхности долота.

а) При разбуривании весьма абразивных пород не рекомен­

171

дуется применять долота с большим коэффициентом проскаль­ зывания зубьев.

б) Чем тверже порода, тем с меньшим перекрытием, шагом зубьев и большим их заострением следует выбирать долота.

в) При разбуривании твердых и абразивных пород реко­ мендуется применять долота с усиленным армированием зу­ бьев периферийного венца, имеющих Г- и П-образную форму, в целях уменьшения «потери» диаметра долота, или долота с клиновидными зубьями из твердых сплавов.

г) При турбинном способе бурения при прочих равных ус­ ловиях предпочтение следует отдавать долотам с одноконусны­ ми шарошками и более прочной опорой.

д) При применении турбобуров с повышенной мощностью и моментом рекомендуется применять долота с большей высо­ той, шагом и заострением зубьев,

5. На выбор типа и модели долота существенное влияние ока­ зывают параметры режима бурения. Область применения каж­ дой модели шарошечных долот значительно расширяется или сужается в зависимости от применяемых режимов бурения.

а) Если есть возможность увеличить осевую нагрузку на долото и число его оборотов, эффективное разрушение может быть достигнуто при применении долот с большим шагом зу­ бьев.

б) Если подача промывочной жидкости ограничена, реко­ мендуется применять долота с самоочищающимися шарошка­ ми и большой высотой зубьев.

6. Скорость бурения в большой мере зависит от размера и формы промывочных насадок долота, направления потока жид­ кости, выходящей из насадок, и расстояния от выхода жидкос­ ти из насадок до забоя скважины.

а) Если возможно работать с большим перепадом давления на долоте и высокими скоростями истечения жидкости из про­ мывочных насадок, то следует применять долота, у которых про­ мывочная жидкость по насадкам, создающим минимальные со­ противления, подается на забой с повышенной скоростью.

б) Во всех случаях преимущественно следует применять до­ лота с нижней промывкой, а также сменные насадки.

3.1.1 ВЫБОР ДОЛОГ В УСЛОВИЯХ ОТСУТСТВИЯ ДАННЫХ ОБ ИХ РАБОТЕ И О МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ

ГОРНЫХ ПОРОД

(Drilling bit selection for unknown conditions)

В этих условиях тип долот выбирают в соответ­ ствии с геологическим разрезом, характеризующим стратиг­ рафию и литологии отдельных свит, горизонтов и пластов по­

172

род, и в соответствии с обычно принятым условным делением пород по сопротивляемости их разбуриванию на мягкие, сред­ ние и крепкие, а также в соответствии с рекомендуемой обла­ стью применения современных долот.

1. Двухлопастные и трехлопастные долота с нижней про­ мывкой или с гидромониторными насадками рекомендуется применять для разбуривания очень мягких (пластичных, вяз­ ких) однородных слабо связанных пород (без твердых про­ пластков), залегающих главным образом на глубинах до 1000— 1500 м.

Эти долота рекомендуется применять и при разбуривании более плотных и менее пластичных глин, также рыхлых пес­ ков, залегающих на сравнительно небольшой глубине.

Если применяются долота, обладающие гидромониторным эффектом, то глубина бурения для них может быть предусмот­ рена больше.

2. Шарошечные долота различных моделей рекомендует­ ся применять:

а) М — для разбуривания мягких (пластичных, вязких), несцементированных пород (сильно пористых), а также более плотных и менее пластичных сланцеватых глин, пористых мер­ гелей, песчаников, органогенных и органогенно-обломочных сильнопористых известняков, рыхлых песков, чередующихся слабосцементированных песков и глин;

б) МС —для разбуривания мягких и средних по твердости, перемежающихся мягких с более твердыми прослойками по­ род: сланцеватых глин, плотных и слабопористых, глинистых мергелей, пористых глинистых сланцев и аргиллитов плотных и слабопористых, твердых сланцев с раковистым изломом и метаморфизованных, каменной соли, меловых отложений, несце­ ментированных ангидритов, известняков средней твердости органогенных и органогенно-обломочных и мелкозернистых, сильнопористых мелкозернистых доломитов, брекчированных и среднесцементированных пород;

в) С —для разбуривания средней твердости пород (пластич­ ных, хрупких): глинистых и песчанистых сланцев и аргиллитов сильнопористых, алевролитов кварцевых с глинистым базаль­ ным цементом плотных и слабопористых, алевролитов с глини­ стым поровым цементом пористых, известняков органогенных

иорганогенно-обломочных, пелитоморфных, мелкозернистых, сильнопористых, доломитов пелитоморфных и мелкозернис­ тых, гипсов плотных и слабопористых, других трещиноватых

иперемежающихся пород средней твердости с довольно твер­ дыми пропластками песчаника и известняка;

г) СТ —для разбуривания средней твердости и абразивности

173

(хрупких и пластичных) плотных пород: алевролитов кварце­ вых с глинистым поровым цементом плотных и слабопористых, алевролитов кварцевых с карбонатным базальным цементом плотных и слабопористых, алевролитов кварцевых с контакт­ ным цементом пористых, песчаников кварцевых с глинистым ба­ зальным цементом плотных, слабопористых, песчаников квар­ цевых с контактным цементом пористых, известняков пористых органогенных и органогенно-обломочных, пелитоморфных и мелкозернистых, доломитов сильнопористых пелитоморфных и мелкозернистых, ангидритов плотных и слабопористых, до­ ломитов средней твердости, сланцев кристаллических, ангид­ ритов и доломитов, перемежающихся с вязкими сланцами и тонкими пропластками окремнелых пород;

д) Т — для разбуривания твердых полуабразивных (хруп­ ких и пластичных) пород: глинистых сланцев опаловых плот­ ных и слабопористых, твердых сланцев, алевролитов кварцевых с контактным цементом плотных и слабопористых, песчаников кварцевых с контактным цементом плотных и слабопористых, известняков органогенных и органогенно-обломочных, пелито­ морфных, мелкозернистых плотных и слабопористых доломи­ тов, чередующихся с глинистыми и гипсовыми прослойками, ангидритов и конгломератов твердых ,и других пород, переме­ жающихся с прослойками более твердых и окремнелых и бо­ лее абразивных пород (песчаником и др.);

е) ТК —для разбуривания твердых (хрупких и пластичных) скальных и абразивных пород: песчаников кварцевых плотных слабопористых, с карбонатным или сульфатным базальным це­ ментом с регенерационным цементом, чередующихся с про­ пластками окремнелых пород или с включениями местами ок­ ремнелых и сильно абразивных пород, доломитов плотных слабопористых, пелитоморфных, мелкозернистых и среднезер­ нистых, кремнистых сланцев;

ж) К — (штырьевые) — для разбуривания самых твердых (хрупких) и абразивных пород: окремнелых и кремнистых, мел­ кокристаллических известняков, доломитов, кварцитов, пиритов и др.; штырьевые долота рекомендуется применять только для раз­ буривания хрупких пород, где проходка на шарошечные (зубча­ тые) долота других современных моделей не больше 3—5 м;

з) ОК — для скальных очень твердых и хрупких пород, сильно абразивных.

3. Алмазные долота. Практика применения алмазных долот показывает, что они эффективно работают при роторном спо­ собе бурения и при работе с забойными двигателями. В сопо­ ставимых условиях проходка на алмазное долото в 15—20 раз больше, чем на шарошечное.

174

При роторном способе бурения рекомендуется применять долота с вогнутой формой торца, для турбинного бурения — спиральной, а при разбуривании весьма крепких пород спи­ ральные долота в виде обратной спирали.

Твердость и износостойкость матрицы долота выбирают в зависимости от крепости пород. При слишком твердой матри­ це алмазы при работе долота плохо обнажаются, что приводит к снижению механической скорости проходки. Слишком мяг­ кая матрица способствует чрезмерному оголению алмазов и преждевременному их выпадению.

Недостатки алмазных долот: высокая стоимость, плохая приспособляемость для разбуривания перемежающихся по твердости пород, необходимость специальной подготовки за­ боя скважины для проходки некоторых весьма крепких и аб­ разивных пород.

4.Долота фрезерные с резцами из твердых сплавов реко­ мендуется применять для разбуривания крепких (хрупких) из­ вестняков и плотных сланцев.

Преимущество долот с резцами из твердых сплавов перед шарошечными долотами в большей проходке на долото (в 4— 6 раз).

5.Одношарошечные долота рекомендуется применять в породах средней крепости и неабразивных и малоабразивных твердых.

3.1.2. ВЫБОР ТИПА И МОДЕЛИ ДОЛОТ НА ОСНОВЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ДАННЫХ ПО РАНЕЕ ПРОБУРЕННЫМ СКВАЖИНАМ

(Drilling bit selection using the drilling wells data)

Данные о работе долот и применяемых при этом режимах бурения и параметрах промывочной жидкости под­ бирают по скважинам, пробуренным на данном месторожде­ нии, площади или участке или же на соседнем месторождении со сходным геологическим строением.

Если есть большое число пробуренных скважин в одинако­ вых геолого-технических условиях, то показатели работы до­ лот выбирают по скважинам с высокими рейсовыми скоростями бурения как по всей скважине, так и в отдельных геологически охарактеризованных свитах, горизонтах и пластах или пачках пород с одинаковой буримостью.

Выбор наилучшего типа и модели долот для бурения тех или иных пачек пород на основе статистической обработки показате­ лей работы долот является наиболее достоверным. Результаты та­ кой обработки показателей работы долот сводятся в специальную таблицу, в качестве примера можно пользоваться табл. 3.1.

175

Размер долота определен при обосновании конструкции скважины

3.1.3 ВЫБОР ТИПА И МОДЕЛИ ДОЛОТ ПРИ НАЛИЧИИ ДАННЫХ О МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ ГОРНЫХ ПОРОД

(D r illin g b it s e le c tio n w h e n th e r o c k p r o p e r tie s

a r e k n o w n )

Если выбор типа и модели долот ведем для пло­ щадей или горизонтов, по которым нет производственных дан­ ных о работе долот, то при наличии данных о фактической твердости горных пород, подлежащих разбуриванию, долота выбирают расчетным путём.

При выборе типа и модели долот необходимо стремиться к достижению наиболее эффективного вида разрушения поро­ ды. Известно, что твердость породы (фактическая на забое) Рф или предел текучести Роф (для мягких пород) является основным критерием, по которому следует выбирать тип и модель долота, а параметры режима бурения из условия эффективного разруше­ ния пород. Если gt > Рф (gt —контактное давление) или д, >Роф. то процесс разрушения будет объемным. Если известны Рф, Роф и Руф, то можно выбирать тип и модель долот, оценивать преобла­ дающий вид разрушения пород при работе различными типораз­ мерами долот, устанавливать параметры режима бурения ими и более обоснованно проводить анализ отработки долот, а при ис­ пытании новых конструкций долот выявлять сопоставимость при­ родных условий и оценивать их эффективность по сравнению с серийными долотами. В табл. 3.2 приведены расчетные данные (пример), необходимые при выборе модели долота, полученные на основании данных о величине Рф.

Врезультате расчетов в табл. 3.2 приведено следующее.

1.Осевые нагрузки на долото, обеспечивающие объемный вид разрушения породы, определенные для начальной площа­

ди контакта FH, рассчитанной при условии, что зубья в породу практически не погружаются.

2. Данные о предельных значениях площади контакта до­ лота с породой, до которой сохранится объемное разрушение, если при этом будет поддерживаться максимально допустимая нагрузка на долото Gmax. Предельное значение площади кон­ такта долота с породой Ёпр определено по формуле

3. Предельные значения фактической твердости породы, до которой при работе новым долотом еще обеспечивается объем­ ное разрушение породы при максимально допустимой нагруз-

12‘

ке, приведено в графе 7 табл. 3.2. Предельная твердость Рпр оп­ ределена по формуле:

такта долота с породой Fnp, при которой сохраняется объемное разрушение, разделить на конечную площадь контакта (при износе зубьев на 3/4 высоты наименьших зубьев) F8, то можно определить долю участия объемного и усталостного разруше­ ния породы (в %), что и приведено в графе 10 табл. 3.2

Как видно из табл. 3.2, при бурении известняка с факти­ ческой твердостью 1442 МН/м2 долотами № 6 и 8 указанных моделей обеспечивается только усталостное разрушение по­ роды, так как для них величина осевой нагрузки, обеспечива­ ющая объемное разрушение, даже при работе новым долотом значительно превосходит величину максимально допустимых нагрузок на долото.

Долота № 10 обеспечивают объемное и усталостное разру­ шение породы с преобладанием усталостного разрушения. До­ лота № 10 модели М следует применять при бурении пород с Рф = 1900 МН/м2, а модели С —с Рф < 1700 МН/м2. Долота же модели Т следует применять при Рф > 1700 МН/м2 и не более 2112 МН/м2.

При бурении мергеля с = 177 МН/м2 при применении долот № 6 и 8 модели С преобладает объемное разрушение (до­ ля участия 76—67%). При применении долот № 10 модели С и М обеспечивается объемное разрушение породы до полной отра­ ботки (износа зубьев) долота. Аналогичные явления наблюда­ ются и при применении долот № 12 этих же моделей.

3.1.4. КРИТЕРИИ ДЛЯ ВЫБОРА ДОЛОТ

(Criterions of drilling bit selection)

Чтобы выбрать рациональный тип долота для конкретной породы можно использовать следующие показате­ ли: а) стоимость 1 м проходки; б) удельную энергию; в) износ долота; г) результаты работы долот и геологические данные со­ седней скважины.

t6 —время бурения; Сч — стоимость 1 ч работы буровой уста­ новки; Ьи — длина пробуренного интервала.

180