книги / Решение практических задач при бурении и освоении скважин

Из уравнения (3.4) видно, что стоимость 1 м проходки опре­ деляется пятью переменными. Время спуско-подъема не всегда можно легко определить, кроме случая непрерывного спуска в скважину и подъема из скважины. В этом случае tcn —сумма времени, затраченного на спуск и подъем. Если долото подни­ мают в башмак обсадной колонны для профилактики ствола, то продолжительность этой операции влияет на общее время спуска и подъема и, в свою очередь, на стоимость 1 м проход­ ки. Время бурения прямо пропорционально стоимости 1 м про­ ходки при постоянстве других переменных.

Стоимость 1 ч работы буровой установки значительно влияет на стоимость 1 м проходки. Для одного интервала на одной пло­ щади при бурении различными установками (с разными величи­ нами Сч) одним и тем же долотом получают различные стоимости 1 м проходки при одинаковом времени чистого бурения.

Если величина Сч взята как произвольная, то при решении уравнения (3.4) получим эквивалентную стоимость 1 м для всех буровых установок. Стоимость 1 м проходки в этом случае не является реальной величиной и не соответствует действитель­ ным и запланированным затратам.

Выбор долот на основе минимума стоимости 1 м проходки обеспечивает самое низкое значение С в данном пласте или интервале скважины (см. пример 3.1).

С помощью метода совокупной стоимости 1 м проходки (ССМ) могут быть определены показатели работы долота в различных интервалах скважины. Применяя этот способ, ис­ пользуют уравнение (3.4) для определения стоимости 1 м про­ ходки, допустим для интервала 10 м, при приемлемом времени на спуско-подъемные операции. Когда величина ССМ начина­ ет возрастать, то это время определяет момент извлечения до­ лота из скважины. Метод ССМ используют для определения глубины, при которой долото становится неэкономичным. Не­ достатки этого метода следующие.

Необходимость точного измерения и прогнозирования tcn,

LH и ^б-

ССМ может резко возрастать при бурении интервала, сло­ женного твердыми породами, и уменьшаться, когда долото про­ ходит этот пласт (см. пример 3.1).

Вследствие этих неопределенностей подъем долота по ве­ личине ССМ может оказаться преждевременным.

Простой практический способ выбора рационального ти­ па долота можно осуществлять по величине удельной энергии SE, которую определяют как отношение механической работы к объему выбуренной породы.

Механическая энергия при работе долота:

181

где W — нагрузка на долото; R — радиус долота; N — ча­ стота вращения долота.

Объем выбуренной породы за единицу времени работы до­ лота:

Если заменить R = 0,5D (где D —диаметр долота), то фор­ мулу (3.7) можно записать в виде:

где W —нагрузка на долото в Н; N —частота вращения до­ лота в об/мин; D —диаметр долота в мм; PR — механическая скорость бурения в м/ч.

Удельная энергия не учитывает основных физико-механи­ ческих свойств породы. Эта величина зависит от типа и кон­ струкции долота. При бурении мягких и твердых пород значе­ ния удельной энергии различны. Это свойство удельной энергии представляет эффективное средство для выбора соответству­ ющего типа долота. Долото, при бурении которым получают минимальную удельную энергию в данном интервале, — са­ мое экономичное.

Из уравнения (3.8) видно, что для данного типа долота удель­ ная энергия SE может быть постоянной при любом сочетании величин W и N. Это происходит вследствие того, что измене­ ния в произведении WN ведут к увеличению PR (при оптималь­ ном режиме промывки скважины). Для долот конкретного типа существует определенное рациональное соотношение величин PR и WN. Следовательно, удельная энергия представляет собой меру эффективности работы долота в конкретных отложениях и характеризует взаимодействие между долотом и породой.

Тот факт, что удельная энергия по сравнению с механиче­ ской скоростью бурения менее чувствительна к изменениям в WN, позволяет использовать эту величину при выборе типа долота на практике.

П р и м е р 3.1. Данные, полученные при бурении, отража­ ют показатели бурения с применением штырьевого долота. Ин­ тервал был разделен на 10 частей. Суммарная стоимость 1 м проходки и удельная энергия в каждой части рассчитаны с по­ мощью уравнения (3.4) и (3.8) соответственно. На рисунке 3.1

182

показаны графики изменения стоимости 1 м проходки и удель­ ной энергии по мере углубления скважины.

Иэ рис. 3.1 видно, что суммарная стоимость 1 м проходки уменьшается до глубины, при которой долото извлекается из скважины. Удельная энергия не отражает такой тенденции. Это указывает на то, что показатели работы в каждом интер­ вале регулируются твердостью породы интервала. На суммар­ ную стоимость 1 м проходки влияют показатели работы долота

впредыдущем интервале. Суммарная стоимость 1 м проходки может иметь мгновенную минимальную или максимальную величину в данном интервале. Целесообразно использовать не фактические показатели работы долота, а среднюю величину суммарной стоимости 1 м в интервале. График удельной энер­ гии дает более реальную величину показателей работы долота

вкаждом интервале. В расчеты удельной энергии SE не входят нарастающие цифры, кроме использования суммарной глуби­ ны (см. рис. 3.1)

1

S.

5

Рис. 3.1. Зависимость стоимости 1 м проходки (кривая 1) и удельной энергии (кривая 2) от глубины скважины.

Из приведенного выше видно, что показатели работы раз­ личных типов долот могут сравниваться на основе стоимости работы буровой установки и времени на спуско-подъемные операции. Независимость удельной энергии SE от стоимости работы буровой установки и времени на спуско-подъемные операции облегчает выбор типа долота на практике.

183

П р и м е р 3.2. На рис. 3.2 представлены данные по 43 сква­ жинам, пробуренным до средней глубины 2650 м. Удельные энергии четырех буровых

ответственно.

3.2. ВЫБОР ЧИСЛА ОБОРОТОВ ДОЛОТА

(Bit rotation selection)

Для числа оборотов долота существуют крити­ ческие значения nv, nVp и пн, причем:

«у > % > "н При бурении шарошечными долотами диаметром 269 мм

найдены следующие значения для nv: 1) в мягких глинистых породах не выше 300—350 об/мин.; 2) в глинистых сланцах, уп­ лотненных песках, рыхлых песчаниках и известняках 400— 500 об/мин.; 3) в крепких скальных породах при бурении до­ лотами Т порядка 900—1200 об/мин.

Значения пн для аналогичных условий следующие: 1) не вы­

184

ше 200—300 об/мин.; 2) порядка 250—350 об/мин. и 3) в преде­ лах 530—700 об/мин. Значение nVp для крепких скальных по­ род 600—700 об/мин.

Заметим, что приведенные цифры для nv, nVpи пн нуждают­ ся в уточнении.

Так как значения nv обусловливаются продолжительностью контакта зубьев шарошек с породой, а для современных долот

Известно, что величина z связана с шагом зубьев tz;с умень­ шением z величина tz возрастает. Следовательно, с увеличени­

ем tz критическое значение п возрастает: t

■tz

,arcsin—S-

^arcsin -‘-jf

сматриваемых долот.

Если нагрузка на долото значительно меньше критической

величины, то с ростом G nv возрастает.

Для осуществления скоростного режима бурения число обо­ ротов долота должно быть задано таким, при котором рейсо­ вая скорость имеет максимальное значение.

Положим, что при обычно применяемом режиме бурения

nv— щ, G = G], Q = Q, была получена следующая рейсовая ско­ рость:

v р (а)

При режиме с большим числом оборотов долота, а именно п = пс, G = Gt, Q = Q, рейсовая скорость:

185

иV f

(б)

При этом мы исходим из предположения, что ис > п„ про­ мывочная жидкость в обоих случаях подается на забой в ко­ личестве, достаточном для очистки забоя, качества жидкости одинаковы, осевая нагрузка на долото обеспечивает объемное разрушение породы.

Очевидно, бурение при более высоком числе оборотов вы-

Н f

годно только в том случае, если v >v^ .

Впервом приближении справедливо соотношение: ги„\*i

(в)

V"! У

Тогда приведенное выше условие целесообразности буре­ ния при пс > и, представляется в таком виде:

где

Тб

Пр и м е р . Положим, на одной группе скважин бурение

велось при п, = 350 об/мин. При этом получены показатели: V, = 6,3 м/час, a vp' = 2,1 м/час, А = 2,0.

На другой группе скважин в тех же геологических услови­ ях, при тех же G и О бурение запланировано вести при ис = = 600 об/мин.

При какой механической скорости vc будет оправдан пере­ ход на работу при таком числе оборотов?

Следовательно, темп углубления скважин второй группы будет выше только в том случае, если механическая скорость бурения будет больше 7,5 м/час, т. е. если vc будет выше V, не менее чем на 20%. При X = 1, vc > 7,3 м/час; при А = = 0,5 vc > 6,9 м/час. С уменьшением соотношения между про-

186

должительностью всех работ, связанных со сменой долота и наращиванием инструмента, и временем работы долота на забое vc, при которой становится выгодно вести бурение при пс = 600 об/мин,, несколько (очень мало) уменьшается.

Примерно можно руководствоваться следующими цифра­ ми: при увеличении п в два раза v должна вырасти более чем на 30%; при увеличении п в полтора раза v должна вырасти более чем на 15%. Только при этих соотношениях темп углуб­ ления скважин в связи с ростом и возрастет; увеличение п с технической точки зрения будет оправдано. Для того, чтобы в связи с ростом п снизилась и стоимость метра проходки, необ­ ходимо иметь больший рост механической скорости, чем это указано выше.

3.3. ВЫБОР ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ НА ДОЛОТО

(Weight on drilling bit selection)

Эффективное разрушение породы при бурении возможно только в том случае, если соблюдается условие, при котором нагрузка на долото G превышает разрушающую на­ грузку для породы G > Ft*o.

Установлено, что бурение при чрезмерно высокой нагруз­ ке на долото приводит к целому ряду осложнений: к быстрому расстройству опор шарошек, а в некоторых случаях и к авари­ ям с долотами, к искривлению ствола скважины и даже к сни­ жению скорости бурения.

Для осевой нагрузки на долото существуют критические

значения Gv, GVpи GH.

Имеющиеся опытные данные свидетельствуют о том, что разница между Gv и GVp не превосходит 10—15%, а между GVp и GHразница еще меньше.

Если число оборотов долота значительно меньше кри­ тического значения, то с увеличением п критическое зна­

чение нагрузки на долото возрастает. Темп возрастания Gv примерно в 1,5—2,0 раза медленнее роста числа оборотов; ес­

ли п увеличивается в т раз, то Gv при этом возрастает только

т

Если же изменение режима бурения произошло не только в от­ ношении числа оборотов, но и в отношении осевой нагрузки на долото, то соотношения между vc и V, представятся в таком виде:

187

Другую скважину бурили при ис = 372 об/мин. и Gc = 13 m (130 кН). Средняя механическая скорость бурения на этой бу­ ровой оказалась равной 17,9 м/час.

Спрашивается, целесообразно ли было применение режи­ ма бурения на второй буровой?

Чтобы ответить на этот вопрос, найдем значение vc, вос­ пользовавшись формулой (3.13):

vc

1+ 0,2

или

vr > 12,1 м/час.

В действительности при втором режиме бурения vc = 17,9 м/час, следовательно, применение второго режима буре­ ния было целесообразно.

3.4. РАЦИОНАЛЬНОЕ ВРЕМЯ РАБОТЫ ШАРОШЕЧНОГО ДОЛОТА НА ЗАБОЕ

(Efficient roller bit on bottom)

В зависимости от соотношения между 7}и ^м е ­ тодика определения времени работы долота на забое и крите­ рии для определения момента подъема долота для замены раз­ личны. Так, если долговечность рабочей поверхности Тг ниже долговечности опор 7J, т.е. Тг < 7J, то время эффективной рабо­ ты долота на забое определяется из условия максимума рей­ совой скорости vp.

188

где 0У—логарифмический декремент уменьшения скорости бурения, зависящий от абразивных свойств породы, изно­ состойкости зубьев долота параметров режима бурения (опре­ деляется опытным путем), час;

Т.„ —продолжительность спуско-подъемных работ, связан­ ных со сменой долот, включая время наращивания инструмен­ та, час;

t„— время проработки, час;

Тр —время работы долота на забое, час.

Зная бу, t„ и Те„, методом пробных подстановок легко опре­ делить значение Тр.

П р и м е р. Tt„ = 5,5 часа; /„ = 0,5 часа, Qr — 2 часа. Положим, Тр — 4 часа, тогда левая часть равенства (3.14)

lg (2,0+4 + 5,5 + 0,5)= 1,079,

правая часть равенства (3.14):

lg2,0+0 ,4 3 4 ^ = 1,169

2,0

Следовательно, Тр должно быть меньше.

Положим, Тр = 3,5 часа, тогда левая часть равенства: lg (2,0 + 3,5 + 5,5 + 0,5) = 1,06,

правая часть равенства:

lg2,0+ 0,434— = 1,06

2,0

Таким образом, рациональное время работы долота на за­ бое Тр — 3,5 часа.

3.5. ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ПЕРЕГРЕВА БУРОВЫХ ДОЛОТ

Известна аналитическая зависимость И. А. Пар­ ного для определения температуры нагрева контактной поверх­ ности долот:

1 + Рд/Р/7

189

где tn, tp, — температура породы и циркулирующего буро­ вого раствора, °С; QA —тепловая мощность долота, Вт; рд, рп — тепловые сопротивления металла долота и породы, °С/Вт:

2^/5г /2Хдк

^+dg^T

(3.16)

8Т —толщина стенки труб, м; ХА — теплопроводность метал­ ла долота, Вт/(м°С); к — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2°С); dn,dB—наружный и внутренний диаметры бурильных труб, м; /д — площадь контакта долота с породой, м2 ; D —диаметр до­ лота, м; Хп, ап тепло- и температуропроводность породы в усло­ виях забоя, Вт/(м°С) и м2/с соответственно; vM—механическая скорость бурения, м/с. Расчеты по формуле (3.15) приводят к результатам, удовлетворительно согласующимся с опытны­ ми данными о температуре буровых долот. Однако с прин­ ципиальной точки зрения при использовании зависимости

И.А. Чарного допускаются две неточности:

1)тепловая мощность QA, развиваемая долотом на забое скважины, задается ориентировочно, так как отсутствует за­ висимость для ее вычисления;

2) зависимость для расчета термического сопротивления материала долота и бурильных труб рд неверно предполагает теплоотдачу в наддолотной системе и включает в себя труд­ ноопределимый коэффициент теплоотдачи к от металла к омы­ вающей жидкости.

Исходя из изложенного, прежде всего найдем зависимость для <2Д. Тепловая мощность долота, с погрешностью менее 15%, численно равна общей мощности NA, подводимой к долоту, т.е. можно принять, что QA = Na. Используем очевидное соотно­ шение;

(3.17)

где л —частота вращения; МА — полный вращающий мо­ мент на долоте,

получаем:

(3.18)

где Муд —удельный момент:

МУА= M/G.

190