книги / Решение практических задач при бурении и освоении скважин

Примем, что вращающий момент может быть определен из выражения:

где ц —коэффициент трения; ср —поправочный коэффици­ ент, зависящий от типоразмера долота; р = G/f — удельное дав­ ление; г —текущий радиус; df — элемент площади; R — ради­ ус долота; G — осевая нагрузка.

Интегрируя (3.19) с учетом того, что для алмазного долота в первом приближении df - Innrdr, имеем:

Для трехлопастного долота элемент площади выразим фор­ мулой df = 35dr где 8 —толщина лопасти, и аналогично полу­

(3.22), практически совпадают. Учитывая, что использование зависимостей (3.21) и (3.22) связано с применением труднооп­ ределимых (по крайней мере на современном этапе) коэффи­ циентов |1 и ф, предпочтение, как расчетной, следует отдать зависимости (3.18).

Выясним возможности уточнения и упрощения методики определения теплового сопротивления материала долота рд. Температура по мере удаления от трущейся поверхности до­ лота быстро убывает и на расстоянии 3—15 мм становится рав­ ной температуре циркулирующего бурового раствора. Сле­ довательно, в реальных условиях весь теплообмен с буровым раствором происходит не в наддолотной системе, как это пред­ полагается формулой (3.16) для рд, а на весьма малом рассто­ янии от забоя. Это свидетельствует о том, что формула (3.16) неприемлема.

С учетом внедрения долота в породу, зашламленности за­ боя и других факторов можно предположить, что коэффици­ енты теплоотдачи от контактной торцовой поверхности долота

191

к буровому раствору, несмотря на большую турбулизацию по­ тока в этой зоне, будут весьма малы.

Поэтому вплоть до постановки специальных исследований с физической точки зрения имеются все основания считать, что коэффициент теплоотдачи от близко расположенных к забою частей долота к буровому раствору равен нулю, т. е. темпера­ тура изменяется лишь по длине лопасти.

Исходя из таких предположений, интегрирование стацио­ нарного уравнения теплопроводности:

dt - Од dz

при граничных условиях z = 0, t = tA, z = z0, t = tPприводит к выражению:

Количество теплоты, подведенное к долоту, можно опреде­ лить из следующей зависимости:

где QA —тепловая мощность, расходуемая на долоте; рд,сд — плотность и удельная теплоемкость материала долота; т — вре­ мя бурения без отрыва от забоя (предполагается, что за это вре­ мя наступает стационарное распределение температур).

Из (3.23) и (3.24) с учетом, что X = аср, имеем:

Полученное выражение позволяет определить тепловое со­ противление материала долота р'д без учета коэффициента теп­ лоотдачи от долота к промывочной жидкости, что делает его намного более удобным для практических расчетов.

Вэтой связи значения р'д, определенные по выражению (3.26), будут занижены, что для наших целей вполне приемлемо.

На основании инструкции ВНИИБТ по бурению нефтя­ ных и газовых скважин алмазными буровыми инструмента­ ми (1979 г.) в процессе работы необходимо стремиться к ми­ нимальному числу отрывов их от забоя, поскольку посадка создает якобы предпосылки для повреждения алмазов. Анализ

192

уравнений (3.16J и (3.25) показывает, что температура нагрева торцовой поверхности алмазного долота повышается с увели­ чением времени бурения без отрыва от забоя. Очевидно, что время работы без отрыва алмазного долота на забое должно быть меньше некоторого критического времени хКР, в течение которого на торце возникнут критические температуры. Пре­ образование выражений (3.16) и (3.25) приводит к следующе­ му неравенству:

(3.27)

или I <ХКР

П р и м е р . Рассчитаем критическое время безотрывной ра­ боты алмазного долота. Долото М-ДР 188,9 СТ-1, G = 100 кН, п — 97 мин-1, Му = 12 Н м/кН; tn = 80°С, tP= 60°С, ап = 5,55*10-7 м2/с, Хп = 1,16 Вт/(м”С), ад = 110*10-/ M V C , X = 45 Вт/(м"С), /д = 0,03 м2. Критическую температуру дисперси­

онной среды бурового раствора 1Д принимаем 430 "С.

Расчеты по формулам (3.18) и (3.27) приводят к следующе­ му результату.

Изменение теплового сопротивления горных пород и кри­ тического времени безотрывной работы алмазного долота в за­ висимости от механической скорости бурения проиллюстри­ ровано графически на рис. 3.3.

Полученные данные указывают на реальную возможность возникновения критических температур при пониженных ско­ ростях бурения. Так, при vM= 1,8 м/ч непрерывное бурение мо­ жет вестись в течение 80 мин., тогда как при vM= 1 м/ч время безопасной работы составляет менее 5 мин., после чего долото должно быть оторвано от забоя с целью охлаждения торцо­ вой поверхности потоком бурового раствора. Вместе с тем на­ блюдается резкий рост хКР с увеличением механической ско-

3.6. ОЦЕНКА НИЖНЕГО ПРЕДЕЛА ИНТЕНСИВНОСТИ ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ

(Drilling mud minimum pumping)

Этот расчет позволяет установить, что исход­ ные данные по отработке долот достаточно качественные, т.е. полученные при расходе жидкости, обеспечивающем очистку забоя и транспорт шлама в кольцевом пространстве.

При решении данной задачи необходимо знать среднюю ско­ рость течения жидкости в наиболее широкой части затрубного пространства vK, обеспечивающую вынос породы из скважин на площади. Величина vKзависит от типа разбуриваемых по­ род, реологических свойств жидкости, конструкции долота и ряда других факторов. Обычно эта величина известна из опы­ та бурения каждой площади. По известному значению vK оп­ ределяют расход промывочной жидкости Qv необходимой для выноса шлама:

где dc —диаметр скважины, м; dH —минимальный наруж­ ный диаметр труб бурильной колонны, м.

Наряду с определением Qx следует найти второе значение

194

где а = 0,55 + 0,5 м/с при роторном способе и электробу­ рении; а < 0,7 м/с при бурении гидравлическими забойными двигателями.

Считается, что отработка долот произведена при удовлетво­ рительной очистке забоя и ствола скважины, и данными этой отработки можно пользоваться для выбора лучшего типа до­ лота и оптимальных режимов бурения, если подача насосов Q удовлетворяет условию:

Первая проверка плотности промывочной жидкости р, взятой из фактических промысловых данных, производится с целью выяс­ нения выполнения условия создания противодавления, препятству­ ющего притоку в скважину пластового флюида, по формуле:

где Рпл — пластовое давление, Па; g — ускорение силы тя­ жести, м/с2; LK — глубина залегания кровли пласта с макси­ мальным градиентом пластового давления, м.

Согласно правилам безопасности буровых работ рекомен­ дуются следующие значения АР и а:

При диаметре dc < 0,2159 м, а = 5 ■105 Па, при dc > 0,2159 а = 3 • 10s Па.

3.7 РАЗДЕЛЕНИЕ ИНТЕРВАЛА ОТРАБОТКИ ДОЛОТ НА УЧАСТКИ ПОРОД ОДИНАКОВОЙ БУРИМОСТИ

(Interval sizing of drilling bit wear in rock zones with the same drillability)

В разрезе выделяется интервал бурения сква­ жин шарошечными долотами одинакового диаметра. Разделе­

ние интервала на участки одинаковой буримости производит­ ся по средней за рейс механической скорости проходки.

Вслучае, если задание составляется по реальным данным, результаты отработки долот записываются из журналов отра­ ботки долот не менее чем в двух скважинах.

Втаблицу заносят информацию о последовательных рей­ сах долот отдельно по каждой скважине. Данные анализи­ руют. Те рейсы, в которых результаты отработки долот оп­ ределились не нормальным процессом разрушения породы сплошным забоем, а специальными целями и посторонними причинами, зафиксированными в документации: авариями, браком в работе, осложнениями в скважине, наличием метал­

ла на забое и т.д., —из анализа опускают.

После заполнения таблиц промысловыми данными присту­ пают к разделению интервала глубин на участки одинаковой буримости графическим способом.

Для этого на график с координатами «глубина скважи­ ны Н —время бурения t» наносят результаты отработки до­ лот в каждом рейсе. Проходки на долота hg последовательно откладывают по оси ординат, а время механического буре­ ния fg, в течение которого скважина была углублена на ве­ личину hg, — по оси абсцисс. На рис. 3.4 показан характер­ ный вид получаемых графиков. Излом линейной зависимости hg — hJt,;) соответствует границе между двумя слоями с раз­ личной буримостью.

Разделение интервала разреза скважины на участки оди­ наковой буримости также можно произвести с помощью ме­ тодики А.А. Родионова.

Составляют ряд значений средних за рейс механических скоростей проходки v>„ в порядке их последовательности при

О 200 т 600 800 Дч

Рис. 3.4. График ft*= h/t^):

„ — скв. № 1; х — скв. N“ 2.

196

бурении скважины. Число полученных таким образом рядов для интервала одного диаметра будет равняться числу анали­ зируемых скважин.

ряду к изменяется от 1 до (л — 1). Границей между двумя раз­ нородными по буримости интервалами является конец А-го рейса, соответствующий максимуму функции у, Если интер­ вал однороден по буримости, то наибольшее значение функции получается при к = п — 1. Если же максимум функции у по­ лучен при к < (п — 1), то расчеты повторяют отдельно для двух групп ряда, которые составляют из значений и,,,, так, чтобы од­ на группа включала величины г>и, в интервале 1 < i < А; другая группа — значения цшиз области (к + 1) < i < (л — 1). Расче­ ты можно выполнять на ПК.

3.8. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО РЕЖИМА БУРЕНИЯ И ЛУЧШЕГО ИЗ ПРИМЕНЕННЫХ ТИПОВ ДОЛОТ

(Selection of optimum drilling regime and the best bit type)

Эту задачу решают путем поиска и сравнения значений минимума стоимости одного метра проходки, кото­ рых можно было бы достичь при применении конкурирующих долот одинакового диаметра в пачках постоянной буримости (vAI = const) в ранее пробуренных скважинах. Выражение для минимума стоимости 1метра проходки записывают в виде:

v.w

где с — эксплуатационные затраты на 1 метр проходки; сь—стоимость одного часа работы буровой установки по затра­ там, зависящим от времени ее работы (с учетом типа буровой

197

установки и ее привода, цели и способа бурения, района буро­ вых работ и интервала глубин); cg — стоимость долота данного типоразмера; fg — стойкость долота данного типоразмера или время механического бурения долотом в рейсе в рассматрива­ емых геолого-технических условиях, ч. В качестве стойкости следует выбирать меньшую из двух стойкостей (по вооружению или по опоре), найденных с помощью буквенно-цифрового ко­ да ВНИИБТ; tc„—время выполнения спуско-подъемных опера­ ций, подготовительно-заключительных и вспомогательных ра­ бот в рейсе (ч) с учетом цели и способа бурения, типа буровой установки, типа лебедки и привода, длины свечи и размера бу­ рильных труб, наличия УБТ, схемы оснастки талевой системы, плотности промывочной жидкости и интервала глубин.

Если расчет выполняется на основе фактических материа­ лов, то значения с„ сА„ f,.„, t6, можно взять из сметного расчета на пробуренную скважину.

VM= hg/t6 — средняя за рейс механическая скорость про­

ходки, м/ч; hg —проходка на долото, м.

Поиск минимальных значений с по выражению (3.33) осу­ ществляется в два этапа: сначала для каждого из применяемых типов долот устанавливают оптимальный режим бурения, при котором можно достичь локального min с, затем найденные зна­ чения локального min с сравнивают между собой и для вновь проектируемой скважины рекомендуют лучшее долото, кото­ рое дает глобальное (общее) min с среди рассмотренных типов. Следует учитывать, что целевая функция (3.33) рассматривает­ ся в области, ограниченной технологически допустимыми зна­ чениями параметров, в первую очередь таких, как частота вра­ щения долота ng и нагрузка на долото Pg.

В выражении (3.33) для расчета показателей работы уч и t&при различных сочетаниях параметров режима бурения и удовлетворении условий очистки забоя и скважины использу­

мые по результатам фактической отработки долот одного ти­ поразмера в рассматриваемом интервале глубины, в частности

198

в опорно-технологических скважинах. Процедура нахожде­ ния коэффициентов по формулам (3.34) и (3.35) и промысло­ вым данным о скорости vM, времени f5, нагрузке Рк и частоте л,, представляет собой решение обратной задачи. Одним из эф­ фективных методов ее реализации может служить метод де­ формируемого многогранника.

При отсутствии промысловых данных для расчетов скорости ум, времени t&,а также имея в виду что значения а, |3, S, <р меня­ ются в существенно меньшем диапазоне, нежели к, А, можно пользоваться фиксированными значениями: а = 0,8, р — 1,4, 6 = 0,7, ф = 1,2. Тогда формулы (3.34) и (3.35) примут вид:

пgr g

Сучетом выражений (3.36) и (3.37) величина проходки на долото в рейсе определится формулой:

Согласно исходным данным задания или карточек отработ­ ки долот, среднее арифметическое значение механической ско­ рости в интервале одинаковой буримости будет равно:

П

ных долот.

Приблизим формулы (3.36) и (3.37) к известным на интер­ вале одинаковой буримости осредненным значениям скоро­ сти \ м и стойкости ig, частоте ng и нагрузке Pg с помощью ко­ эффициентов К, А, называемых иногда адаптационными. Для

199

этого разрешим формулы (3.36) и (3.37) относительно адапта­ ционных коэффициентов:

Вдальнейшем, чтобы не загромождать формулы, знак осред­ нения (черту) при vw, Л и опускаем.

Устанавливают границы возможных изменений нагрузки Ря и частоты пг Согласно паспортным данным долот, в качест­ ве верхней границы нагрузки Pg принимают 90% максимально допустимой нагрузки на долото, в качестве нижней —полови­ ну от максимально допустимой нагрузки. Область допустимых частот вращения пх ограничивают также паспортными данны­ ми (табл. 3.3). При этом значения осевых нагрузок и частот вра­ щения низкооборотных долот серий ГНУ и ГАУ связываем со­ отношением:

где PgBiia, Pgmm— максимальная и минимальная нагрузки на долото; nmin, n max —минимальная и максимальная частота вра­ щения долота.

Т а б л и ц а 3.3

Допустимые осевые нагрузки и частоты вращения при эксплуатации трехшарошечиых долот

215.9МСЗ-ГНУ-ROIM; C3-rHy-R51, 130-220 80-40 МСЗ-ГНУ-RII; C3-rHy-R53

200