Величина удельной нагрузки для шарошечных долот
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА БУРЕНИЯ И ЗАБОЙ-НЫХ УСЛОВИЙ НА РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕ-НИИ
Влияние параметров промывочной жидкости на изменение
Типы шарошечных долот, используемых при бурении
Виктор Дмитриевич Евсеев
РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН
Учебное пособие
Научный редактор доцент, к.т.н. Ю.Л.Боярко
Редакторы: Н.Я. Горбунова,
Р.Д. Игнатова
Подписано к печати 20.05.02
Формат 60х84/16. Бумага офсетная.
Плоская печать. Усл.- печ.л. 5,52. Уч.-изд.л. 5,0.
Тираж 150 экз. Заказ № . Цена С.18
ИПФ ТПУ. Лицензия ЛТ № 1 от 18.07.94.
Типография ТПУ, 634034, Томск, пр. Ленина, 30.
ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН
3.1. Основные принципы механики разрушения горных пород
при бурении скважин
Разрушение горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин происходит при следующих механических воздействиях на них породо-разрушающего инструмента: удар, вдавливание, резание. Под действием ударной нагрузки в горной породе, прилегающей к забою скважины, распространяются волны напряжений, которые приводят к росту по-вреждаемости горной породы. При вдавливании породоразрушающих элементов вооружения долота в горную породу разрушение последней происходит в условиях реализации под площадкой давления трехосного неравнокомпонентного напряженного состояния сжатия. Тангенциальное усилие (сила резания) со стороны инструмента обеспечивает возник-новение состояние сжатия перед передней гранью породоразрушающего элемента вооружения и в зависимости от механических свойств горной породы при данном давлении и температуре вызывает либо резание, либо скалывание горной породы.
Резание - непрерывный процесс отделения слоя горной породы с поверхности забоя. Породоразрушающий инструмент производит резание только высокопластичных и сильнопористых горных пород. С возрас-танием упругих свойств горной породы ее разрушение под действием усилия резания происходит в результате скалывания. Скалывание – диск-ретный процесс отделения частиц горной породы забоя под воздействием сдвигового усилия со стороны предварительно внедрившегося в горную породу забоя инструмента.
3.1.1. Классификация породоразрушающего инструмента. Породо-разрушающие инструменты, используемые в бурении, по основным своим функциям делятся на три группы:
1) долота - для бурения сплошным забоем,
2) бурильные головки и коронки - для бурения кольцевым забоем с образованием кернов,
3) вспомогательный инструмент - пикообразные и зарезные долота, фрезеры, расширители, калибраторы и пр.
По принципу взаимодействия с горной породой породоразрушающие инструменты первой и второй групп делят на три подгруппы:
1) режуще-скалывающие (РС), разрушающие горную породу лопастя-ми (лопастные долота),
2) дробящие, разрушающие горную породу с помощью ударного воз-действия,
3) дробяще-скалывающие (ДС), разрушающие горную породу зубьями, расположенными на шарошках (шарошечное долото).
Заметим: в породоразрушающих инструментах первой подгруппы иной раз выделяют подгруппу инструментов истирающе-режущего (ИР) действия (алмазные и твердосплавные долота, разрушающие горную породу алмазными зернами или твердосплавными штырями, распо-ложенными в торцевой части долота).
Разрушение горных пород инструментом первой подгруппы обеспечивается вдавливанием и резанием, второй подгруппы – дина-мическим приложением нагрузки (ударом), третьей - ударом, вдавли-ванием, резанием. Поскольку породоразрушающий инструмент дробящего действия при бурении нефтяных и газовых скважин практически не используется, то основное внимание мы уделим рассмотрению работы инструмента первой и третьей подгрупп.
Схемы взаимодействия с горной породой породоразрушающих эле-ментов вооружения бурового инструмента приведены на рис. 12.
Породоразрушающий инструмент подгрупп РС и ИР характеризуется выполнением вооружения в виде лопастей или секторов. Породоразрушающий элемент долота называется лопастью, если его высота значительно превосходит толщину, и сектором, если его высота меньше или равна толщине.
Породоразрушающий инструмент РС и ИР действия вращается вокруг своей оси с угловой скоростью w (dim w = рад/с = с-1), при этом инструмент непрерывно вдавливается в горную породу осевым усилием F, производя разрушение породы под пятном контакта, а сила резания T обеспечивает разрушение горной породы перед передней гранью породо-разрушающего элемента долота, срезает слой горной породы толщиной d (рис.12).
Долотом дробящего действия массой m наносятся удары по поверхности забоя. Динамическое разрушение описывается уравнением для кинетической энергии Wk инструмента и потенциальной энергии U деформирования породы. Закон сохранения энергии Wk = U является основной для анализа ударного взаимодействия долота с горной породой.
Породоразрушающий инструмент ДС действия отличает размещение вооружения в виде инденторов (зубьев) на вращающихся деталях – шарошках. Каждый зуб долота дробяще-скалывающего действия вначале наносит удар по горной породе забоя скважины, затем вдавливается в породу силой F и одновременно с этим участвует в обусловленных кинематикой долота скольжении со скоростью V и вращении с угловой скоростью W, величина которой определяется угловыми скоростями вра-щения шарошки вокруг оси долота wд и вокруг своей оси wш.
Общим для первой и третьей групп инструментов является внедрение породоразрушающих элементов вооружения долот в горную породу под действием осевого усилия F и вращение инструментов. На забое скважины разрушение горной породы осуществляется при одновременном действии не только осевого усилия, но и тангенциальной силы T. Появление силы резания при использовании инструмента третьей группы обеспечивается конструктивными особенностями этих долот.
В бурении характеристикой вращения бурового оборудования (буро-вой колонны, породоразрушающего инструмента) чаще является число оборотов n или равноценная ей характеристика - частота оборотов f. Обе эти величины характеризуют число оборотов в единицу времени (dim n = dim f = об/с = с-1). Традиционно число оборотов в бурении измеряется в оборотах в минуту (об/мин) = 1/мин. Величина, обратная числу оборотов, определяет продолжительность одного оборота, т.е. период T = n-1 = f-1. Угловая скорость w связана с периодом соотношением w = 2 p /T.
Величина линейной скорости при вращательном движении точки, находящейся на траектории диаметром d, определяется выражением
V = w d/2 = p dn.
Возможность использования той или иной подгруппы инструментов для бурения скважины определяются механическими свойствами горных пород, главным образом величиной их твердости и абразивности. В пределах каждой подгруппы (РС, ИР, ДС) инструменты имеют особенности в зависимости от того, для пород какой абразивности и твердости они предназначены. Соответствие абразивности горных пород отражает класс инструмента, а твердости – тип инструмента. Породо-разрушающие инструменты изготавливают двух классов: инструменты первого класса cо стальным фрезерованным вооружением предназначены для разбуривания неабразивных горных пород, второго класса с вставным твердосплавным вооружением – абразивных пород. Тип инструмента оп-ределяется величиной твердости горной породы.
3.1.2. Вспомогательный породоразрушающий инструмент. К специ-альным способам бурения относят такие нетрадиционные способы, в которых буровой снаряд с породоразрушающим инструментом внедряется в горную породу без вращения. Это достигается либо забиванием, либо вдавливанием инструмента. Породоразрушающий инструмент такого типа используется для бурения мягких горных пород. Инструмент имеет форму башмака (стакана) режущего действия или вид пикобура с торцом конусной формы.
При использовании коронки разрушение породы происходит по кольцевой площади забоя (получение керна), а при использовании пикобура – горная порода разрушается по всей площади забоя.
Для выполнения вспомогательных работ в скважине применяется следующий специальный инструмент:
▪ зарезные и фрезерные долота предназначены для забуривания новых стволов в скважине и фрезерования металла при ликвидации аварий в скважине, связанных с поломкой породоразрушающего инструмента,
▪ калибратор - лопастной, шарошечный породоразрушающий инстру-мент, устанавливаемый непосредственно над долотом. Он предназначен для центрирования долота в скважине, для обработки (разрушения) ствола скважины до размера, равного диаметру нового долота,
▪ расширитель - пикообразное долото (специальное лопастное доло-то), предназначено для расширения диаметра скважины, которая была пробурена инструментом меньшего диаметра, для разбуривания цемент-ных пробок, металлических деталей низа бурильной колонны.
3.1.3. Параметры режима бурения и показатели работы долот. Ре-жим работы долот первой и третьей подгрупп характеризуется следу-ющими параметрами:
F - осевая нагрузка, dim F = Н,
n - частота вращения долота, dim n = об/мин.,
Q - интенсивность (производительность) промывки забоя, dim Q = м3/ с.
П – параметры бурового раствора (плотность, вязкость, концентрация твердой фазы, показатель фильтрации).
Осевая нагрузка создается, в основном, весом утяжеленных буриль-ных труб и забойного двигателя. Для успешного разрушения горных пород при бурении скважин величина осевого усилия составляет 100 – 250 кН. При роторном бурении осевое усилие создается большим, чем при тур-бинном бурении.
При роторном бурении, при бурении забойными двигателями частота вращения долота меняется в диапазоне (20 ¸280 ), (300 ¸ 700) об/мин., со-ответственно; наибольшая же частота вращения достигается при бурении скважин алмазными долотами (от 400 об/мин и выше).
Подача буровых насосов составляет несколько десятков литров в секунду.
Каждый параметр режима бурения влияет на эффективность разру-шения горных пород, причем влияние каждого из параметров на разрушение горных пород при бурении зависит от заданных значений других параметров.
Значения режимных параметров, обеспечивающие лучшие показатели работы долота при использовании имеющегося бурового оборудования, определяют оптимальный режим бурения.
К основным технико-экономическим показателям работы долот отно-сятся следующие:
▪ проходка на долото L - длина ствола скважины в массиве горных пород, пробуренного данным долотом. Этот показатель позволяет судить об объёме полезной работы, выполненной данным долотом при бурении. Для шарошечного и лопастного долот этот показатель совпадает с проходкой за рейс, т.к. эти долота выходят из строя в течение первого же рейса. Показателем конечной стадии отработки долота является резкое снижение механической скорости бурения от начальной величины при износе вооружения долота или резкое повышение крутящего момента при износе опоры;
▪ долговечность долота tб представляет собой время бурения скважи-ны данным долотом до его полного износа;
▪ механическая скорость бурения Vм = L / tб. Эта величина харак-теризует буримость горной породы данным инструментом при данных значениях параметров режима бурения. С ростом глубины скважины высокая механическая скорость менее выгодна, чем увеличение проходки за рейс. Объясняется это увеличением длительности спуско-подъёмных работ при росте глубины скважин;
▪ рейсовая скорость бурения
Vр = L /(tб + tсп),
где tсп - длительность спуско-подъёмных операций с учетом времени наращивания колонны и смены долота. Величина Vр с ростом времени бурения снижается;
▪ техническая скорость бурения
Vр = L / (tб + tсп + tв),
где tв - длительность вспомогательных операций. Величина технической скорости характеризует общий темп углубления скважины;
▪ удельные эксплуатационные затраты на обеспечение 1 м проход-ки (себестоимость одного метра пробуренной скважины), определяемые по формуле
С = [Св(tб + tспо + tвсп) + Cд] / L,
где Св - стоимость 1 часа работы буровой установки, Cд - стоимость до-лота. Рациональным типом породоразрушающего инструмента данного размера для конкретных условий бурения является такой тип, который при применении в данных условиях обеспечивает минимум эксплуатационных затрат на 1 м проходки.
Наиболее важными показателями, с точки зрения оперативного управления процессом бурения, является величина проходки и мгновенная механическая скорость. Остальные показатели могут быть рассчитаны после измерения величин L и Vм. Для измерения указанных показателей процесса бурения используют приборы ИП (измерение проходки).
Из приведенного выше выражения для величины С следует, что стоимость одного метра проходки определяется пятью переменными. На величину С значительно влияет стоимость одного часа работы буровой установки Св: для пробуреного интервала на одной площади при бурении различными буровыми установками одним и тем же долотом получают различную стоимость проходки при одинаковом времени чистого бурения. Увеличение проходки на долото L приводит к резкому сокращению числа спуско-подъемных операций и снижает удельные эксплуатационные затраты на 1 м проходки.
Перечисленные показатели работы долот только в том случае объек-тивно характеризуют работу инструмента, когда они привязаны к конк-ретным условиям его работы: указаны показатели режима бурения (управ-ляемые параметры) и свойства горных пород, геолого-структурные особен-ности разбуриваемого массива (неуправляемые параметры). Важно пра-вильно выбрать значение управляемых параметров при изменении неуп-равляемых: определить тип инструмента и показатели режима бурения при известных значениях показателей свойств горных пород.
3.1.4. Обоснование критериев рациональной отработки долот. Оптимизация процесса бурения заключается в определении оптимального сочетания величины компонент режима бурения (F, n, Q, П). Показатель, по которому оценивается эффективность бурения, называется критерием.
Cогласно исследованиям В.С.Федорова, механическая скорость в процессе бурения изменяется по экспоненциальному закону
,
где Vo – начальное значение механической скорости, k – коэффициент, величина которого зависит от износа вооружения долота.
Связь между проходкой на долото hд и его долговечностью tб устанавливается формулой
.
Выражение для рейсовой скорости Vр через полученное выражение для проходки на долото примет вид
,
Из формулы следует, что величина рейсовой скорости зависит от четырех параметров.
Графики изменения величин Vм, Vр, С приведены на рис.13. Если механическая скорость бурения постоянно снижается с увеличением про-должительности бурения, то изменение рейсовой скорости и удельных затрат отличает более сложное поведение.
  |
Резкий спад механической скорости бурения шарошечным долотом по сравнению с ее начальной величиной свидетельствует о катастрофическом износе вооружения.
Рейсовая скорость возрастает до своего максимального значения (Vр)max, а затем снижается. Время достижения максимального значения рейсовой скорости определяет оптимальное время бурения (t б )опт данным долотом.
Величина С с ростом времени бурения вначале снижается, но при достижении значения tэ начинает возрастать. Экономически выгодная продолжительность бурения tэ указывает на момент подъема долота из скважины.
Если ставится задача обеспечения минимальных сроков строительства скважины (бурение скважины по заданной траектории до проектной глу-бины), то оптимальной стратегией бурения будет та, которая обеспечивает замену породоразрушающего инструмента при достижении максимальной величины рейсовой скорости. Если же преследуется задача минимизации затрат на строительство скважины, то замену инструмента необходимо проводить по достижении времени бурения величины t э.
Большие значения механической скорости бурения не могут быть решающим фактором для оценки производительности труда буровой бригады, т.к. это может быть достигнуто при таких значениях осевого уси-лия и частоты вращения, при которых происходит значительный износ инструмента, требующий замену долота.
3.1.5. Определение осевой нагрузки на долото. Твердость является основным показателем, с помощью которого определяется необходимая для эффективного разрушения горной породы осевая нагрузка на д олото. Нагрузка на долото - один из основных параметров, определяющих режим работы породоразрушающего инструмента на забое скважины.
Из условия обеспечения объёмного разрушения горной породы вели-чина осевой нагрузки на шарошечное долото рассчитывается по формуле
F = a HSк,
где a = (0,33¸1,59) - коэффициент, учитывающий реальные условия разрушения горной породы в скважине (величину дифференциального давления, температуру горных пород, состояние забоя и пр.), Sк - контактная площадь данного долота. Величина a определяется по промыс-ловым данным.
Зная твердость горных пород и контактную площадь используемого долота, можно определить осевую нагрузку, требуемую для бурения скважины данным шарошечным долотом. Нужно помнить, что по указанной формуле можно определить лишь ориентировочное значение требуемого для разушения горной породы осевого усилия, т.к. формула не учитывает работоспособность опор долота.
Если в приведенную выше формулу вместо значения твердости под-ставить величину условного предела текучести Ро, то получим величину минимального осевого усилия, обеспечивающего разрушение упруго-пластичных горных пород при усталостно-объёмном ее разрушении на забое.
Если твердость разбуриваемых горных пород неизвестна, то величину необходимого осевого усилия для эффективного разрушения горных пород можно приближенно определить по значению удельной нагрузки Fуд по формуле F = Fуд D, где D – диаметр шарошечного долота, dim Fуд = кН/мм. Рекомендуемые значения удельной нагрузки для различных горных пород, механические свойства которых оцениваются только качественно, приведены в таблице 2.
Таблица 2
Дата: 2019-07-30, просмотров: 185.
