1.3.4 Охлаждение и смазка долот, бурильных труб
В процессе бурения между долотом и разрушаемой породой, а также между вращающимся бурильным инструментом и стенками скважины возникают значительные силы трения. Благодаря присутствию промывочной жидкости коэффициент трения значительно уменьшается, а теплота, образующаяся вследствие трения, рассеивается потоком жидкости. Кроме того, на стенках скважины образуется скользкая корка, которая уменьшает силы трения труб при вращении и спуско-подъемных операциях (СПО).
Существенно понижают коэффициент трения смазывающие добавки. Желательно увеличивать содержание смазочных добавок в буровом растворе. Однако при большом содержании этих добавок заметно снижается механическая скорость проходки, особенно при бурении долотами истирающего типа. Следовательно, содержание смазочных добавок в буровом растворе должно быть также оптимальным.
Охлаждение долота, бурильных труб, гидравлического оборудования способствует увеличению их долговечности и поэтому является также важной функцией промывочных жидкостей. Известно, что охлаждение омываемых деталей тем лучше, чем больше скорость циркуляции, ниже вязкость бурового раствора и выше его теплоемкость и теплопроводность. Однако регулирование этих показателей с целью улучшения условий охлаждения бурового инструмента и оборудования ограничено необходимостью выполнения предыдущих, иногда более важных, функций промывки скважины.
1.3.5 Передача гидравлической энергии забойному двигателю
Гидравлическим погружным двигателем называют машину, которая преобразует энергию потока жидкости в механическую энергию вращательного движения.
Рабочий элемент гидравлического забойного двигателя (турбобура) – турбина (рисунок 1.3). Каждая ступень турбины состоит из статора и ротора. Промывочная жидкость, пройдя между лопатками статора, меняет свое первоначальное направление и разбивается на потоки, направленные под углом к оси машины. Затем жидкость поступает в ротор, с лопатками расположенными в обратном направлении. Жидкость взаимодействует с лопатками ротора и передает ему часть гидравлической энергии, которая вызывает появление на роторе крутящего момента.
Для работы Объемного гидравлического двигателя (винтовой забойный двигатель - ВЗД) также необходима промывочная жидкость. Статор и ротор ВЗД относительно друг друга расположены эксцентрично. За счет правильно подобранной киниматической пары происходит непрерывное касание зубьев статора по зубьям ротора по всей длине двигателя. При движении промывочной жидкости создаются области высокого и низкого давления и ротор начинает вращаться, а вал проворачивается.
Рисунок 1.3 - Единичная ступень турбобура:
1, 5 - наружный обод ротора и статора
2, 3 - лопатка ротора и статора
4, 6 - внутренний обод ротора и статора
1.3.6 Предупреждение нефте-, газо- и водопроявлений
Давление жидкости или газа, содержащихся в проницаемых пластах, зависит от глубины их залегания и ряда других факторов. Давление бывает нормальным для данной глубины, а может быть аномально высоким - значительно выше гидростатического или аномально низким, т.е. значительно ниже гидростатического. Поэтому в первом случае плотность бурового раствора должна быть такой, чтобы давление столба раствора было несколько выше пластового давления и препятствовало перетоку жидкости или газа из пласта в скважину как при бурении, так и во время СПО. Во втором случае плотность раствора должна быть такой, чтобы давление раствора было равно или несколько ниже (бурение на депрессии) для предотвращения поглощения раствора и гидроразрыва пласта. Требуемая величина плотности бурового раствора, в зависимости от пластового давления и глубины залегания пласта, четко регламентируется правилами безопасности нефтяной и газовой промышленности (ПБ) при бурении скважин на нефть и газ [1].
Максимально допустимая репрессия (с учетом гидродинамических потерь) должна исключать возможность гидроразрыва или поглощения бурового раствора на любой глубине интервала совместимых условий бурения.
В интервалах, сложенных глинами, аргиллитами, глинистыми сланцами, солями и другими породами, склонными к потере устойчивости и текучести, плотность, фильтрация, химсостав бурового раствора устанавливаются исходя из необходимости обеспечения устойчивости стенок ствола скважины. При этом репрессия не должна превышать пределов, установленных для всего интервала совместимых условий бурения. Допускается депрессия на стенки скважины в пределах 10-15% эффективных скелетных напряжений (разница между горным и поровым давлением пород).
При несбалансированном давлении на забое теоретически можно достичь более низкой плотности бурового раствора и бурить при управляемом выбросе пластового флюида на максимальных скоростях. Несмотря на необходимость существенного усложнения устьевого оборудования, взрывоопасность такого технологического процесса и трудность разделения газожидкостного потока в поверхностной циркуляционной системе, в Канаде и США значительный объем бурения осуществляется при несбалансированном давлении.