Опубликована в журнале «Бурение и нефть» №2, 2013, стр. 40-42

УДК 622.24.084.3

Регулирование режима очистки скважины

в процессе бурения

ГОУ ВПО УГНТУ(г. Уфа),

«Геофизика», (г. Уфа)

Аннотация: В статье рассмотрен и математически описан процесс режима очистки скважины от выбуренных частиц породы, влияние на скорость выноса шлама из скважины технологических параметров бурения, механических свойств породы и конструкции породоразрушающего инструмента с целью достижения оптимальных показателей бурения нефтегазовых скважин.

Ключевые слова: бурение, вынос шлама, процесс очистки, скорость подъема, расход, промывочная жидкость, нагрузки на долото.

Технология промывки скважины должна способствовать достижению лучших технико-экономических показателей бурения. Это возможно при решении оптимизационных задач, цель которых выбор в каждом конкретном случае оптимального сочетания расхода промывочной жидкости с технологическими параметрами и физико-механических свойств разрушаемой на забое породы в процессе бурения скважины.

В общем виде скорость подъема частиц в затрубном пространстве при бурении определяется выражением:

, (1)

где Jпод – скорость подъема частиц;

Jж – скорость восходящего потока промывочной жидкости, которая превышает скорость оседания частиц на величину желаемой скорости подъема;

Jосед - скорость оседания (седиментации) частиц под действием силы тяжести при отсутствии движения промывочной жидкости.

После преобразования формулу (1) можно представить в виде:

(2)

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

где к=1- – коэффициент, учитывающий превышение скорости восходящего потока промывочной жидкости над скоростью оседания частиц, и который назовем коэффициентом седиментации.

При этом скорость оседания частиц можно определять по формуле: [3]

, (3)

Где g- ускорение силы тяжести;

- постоянная Риттингера;

Здесь, в свою очередь, К – коэффициент сопротивления движению, зависящей от конфигурации частиц ( в среднем К»0,4);

dr – диаметр самой крупной частицы, оставшейся во взвешенном состоянии, он определяется по формуле:

, (4)

где t0 - динамическое напряжение сдвига;

kd – экспериментальный коэффициент, зависящий от диаметра частицы и определяют его по графикам ;

rп - плотность разрушаемой породы;

rж – плотность промывочной жидкости.

Величину же скорости потока промывочной жидкости для определения коэффициента К можно выбирать из значений, используемых на предыдущих бурящихся скважинах или же задаваясь конкретным значением, которое определит во сколько раз скорость выходящего потока должна превышать скорость оседания частиц. При этом очевидно, что чем больше коэффициент К, тем в большей мере скорость восходящего потока промывочной жидкости превосходит скорость оседания частиц, т. е. выполняется неравенство и тем качественней очистка скважины. Так при превышении скорости восходящего потока над скоростью оседания частиц в диапазоне от 1,5 до 4 раз, коэффициент К будет изменяться в диапазоне от 0,34 до 0,75. Конкретное же значение этого коэффициента необходимо выбирать с учетом как технических возможностей циркуляционной системы скважины и, в частности, технических возможностей применяемого бурового насоса, так и геологических – не допущения гидроразрыва пород, поскольку коэффициент влияет на величину расхода промывочной жидкости.

Учитывая чистоту затрубного пространства и обогащения объема промывочной жидкости частицами разбуриваемой породы, скорость подъема частиц необходимо определять по формуле: [1]

, (5)

где Sз – площадь забоя;

Sзп – площадь затрубного пространства;

gп – удельный вес разрушаемой породы;

gзп – удельный вес промывочной жидкости в затрубном пространстве;

gж – удельный вес промывочной жидкости, закачиваемый в скважину;

Jм – механическая скорость бурения.

На основании неразрывности потока ПЖ можно записать аналогично формуле (5) выражение, которое определяет скорость выноса частиц из забоя, т. е.

, (6)

где Jвын - скорость выноса частиц из забоя;

Sвын – суммарная свободная площадь долота, через которую осуществляется вынос частиц из забоя в затрубное пространство.

Представим выражения (5) и (6) в виде:

и .

Поскольку в этих уравнениях правые части равны, то равны и левые. Тогда можно записать:

или .

Откуда получим:

(7)

или . (8)

Из выражения (8) видно, что скорость выноса частиц из забоя и скорость подъема их в затрубном пространстве связаны между собой через соотношение площадей затрубного пространства и свободной площади долота. Используя выражение (2), формулу (5) представим в виде:

, (9)

или

(10)

Произведение выражения (10) ничто иное, как расход промывочной жидкости, т. е. , а само выражение примет вид

. (11)

Механическая скорость может быть выражена в виде формулы: [2]

(12)

где h0 – углубление скважины за один оборот долота; n – число оборотов долота.

Углубление скважины за один оборот долота определяется формулой:[2]

(13)

где V1з – объем разрушенной породы за единичный акт воздействия зуба долота на забой;

z – количество зубьев долота;

– передаточное число долота;

nш – число оборотов шарошки.

С учетом выражения (12) и (13) выражение (11) примет вид:

. (14)

Наибольшее количество промывочной жидкости, необходимой для очистки скважины, требуется при объемном виде разрушения породы забоя, который считается самым эффективным видом разрушения. Обусловлено это тем, что зона разрушения при объемном виде разрушения больше площади самого штампа (в нашем случае зуба шарошки) в 5÷50 раз.[2]. Естественно объем разрушенной породы за один оборот долота будет наибольшим. Минимальная нагрузка на долото, при которой объемное разрушение будет иметь преимущественное значение, может быть найдена для упруго-хрупких и упруго-пластичных пород по формуле: [2]

(15)

где G – нагрузка на долото;

- коэффициент, учитывающий изменения твердости пород под воздействием забойных условий и имеет диапазон изменения от 0,49 до 0,97;

Ршз – твердость пород в забойных условиях (по Шнейнеру);

Ршо – твердость пород в воздушно-сухом состоянии;

Sк – площадь поверхности зубьев шарошек, контактируемых в конкретный момент времени с забоем;

Sко – площадь поверхности одного зуба шарошки, контактируемого с забоем.

Из выражения (15) находим:

. (16)

Подставляя (16) в формулу (14), получим

(17)

или , (18)

где .

Из полученных выражений (17) и (18) видно, что оптимальное значение расхода промывочной жидкости, необходимое для эффективной очистки забоя скважины и выноса бурового шлама на поверхность, зависит от

значений технологических параметров бурения – числа оборотов долота и нагрузки на него, а также от твердости разрушаемой горной породы в забойных условиях и конструкции породоразрушающего инструмента.

Следует отметить, что выражения (17) и (18) имеют важный физический смысл. Они позволяют установить взаимосвязь между основными режимными параметрами бурения, твердостью разбуриваемой породы и конструкцией долота. Справедливо также выражение, которое следует из формулы (18):

. (19)

Выражение (19) позволяет выбрать оптимальные нагрузки на долото при заданной величине расхода и при данной величине оборотов долота. При этом основным критерием является эффективность очистки забоя от шлама.

Из выражения (19) следует, что при заданных значениях расхода Q и оборотов долота , бурение заниженными значениями нагрузки на долото, когда < не эффективно, так как разрушение породы не объемное, следовательно, механическая скорость бурения низкая, количество шлама небольшое, но при этом бесполезно затрачивается энергия на поддержание повышенного значения расхода промывочной жидкости.

При заданных значениях расхода и оборотов долота увеличение нагрузки на долото, когда > также не целесообразно, так как при этом промывочная жидкость не успевает полностью удалить шлам из забоя и транспортировать его на дневную поверхность. Как следствие, крупные грануляции не вынесенного шлама подвергаются многократному измельчению на забое, на что бесполезно затрачивается дополнительная энергия и происходит усиленный износ породоразрушающего инструмента.

Литература

1.  Акопов забоев глубинных скважин. М.: Недра, 1970, -120 с.

2. , , и др. Диспетчерское

управление буровыми работами. - М.: Недра, -1974,- 213 с.

3. Лукьянов -технологические и геофизические исследования в процессе бурения. – Новосибирск: Издательский Дом «Историческое наследие Сибири», 2009, -752 с.