3.1.3 Выбор оптимального расхода

По мнению многих исследователей на очистку забоя влияет не столько расход промывочной жидкости Q и скорость истечения жидкости из гидромониторных насадок долота U₀, сколько гидравлическая мощность, срабатываемая в насадках

N_г.д = ∆Р_д∙Q (3.14)

и сила удара гидромониторной струи о забои

(3.15)

В формулах (3.14) и (3.15): ∆Р_д – перепад давления в долоте; Q₀- расход промывочной жидкости через одну насадку; μ – коэффициент расхода (КПД) насадки.

Влияние удельной гидравлической мощности на скорость проходки по данным Аллена (Аllen) показано на рисунке 3.8.

Удельная гидравлическая мощность, кВт.\см²

1 – область неудовлетворительной промывки;

2 – область удовлетворительной промывки;

3 –максимальная гидравлическая мощность.

Рисунок 3.8 - Рекомендуемая гидравлическая мощность для промывки забоя и долота.

Показатель фильтрации промывочной жидкости (ПФ)

Чем выше этот показатель, тем выше проницаемость фильтрационной корки, тем быстрее трещины заполняются фильтратом раствора. Тем лучше очистка забоя и выше показатели бурения. Но с другой стороны, при высоком показатели фильтрации увеличивается вероятность обвала стенок скважины, сложенных глинистыми породами, больше фильтрата проникает в пласт, вызывая загрязнение околоскважинной зоны. Указанная дилемма разрешается использованием полимерных растворов с так называемой мгновенной фильтрацией. В отличие от обычных растворов (глинистых, глинистополимерных) эти растворы впервые мгновения начала фильтрации отдают больше фильтрата, способствуя быстрому заполнению трещин. Затем скорость фильтрации их резко снижается, и за большой промежуток времени (часы и сутки) их фильтратоотдача существенно меньше. Это благоприятно сказывается на сохранении устойчивости стенок скважин и чистоты продуктивных пластов (рисунок 3.7).

Однако, если эти растворы не содержат твердой фазы, то их фильтроотдача в условиях скважин, где перепад давления «скважина-пласт» (депрессия) существенно выше, чем перепад давления в приборе ВМ-6 (0,1 МПа), может быть кратно выше или даже на порядок выше, чем в приборе ВМ-6. Это естественно, может свести на нет все их преимущества.

Рисунок 3.7 - Динамика фильтратоотдачи полимерных (1) и глинистых (2) растворов во времени

Вынос шлама из призабойной зоны

Транспорт шлама в наддолотное пространство определяется не столько расходом промывочной жидкости, сколько схемой промывки долота. Известны две принципиально разные схемы промывки шарошечных долот – центральная и боковая. При центральной схеме жидкость истекает из промывочного отверстия в центре долота.

Конфигурация промывочного отверстия может быть разной – цилиндрическое отверстие с фаской или без, плоская щель, коноидальная насадка. Недостатком центральной промывки является то, что истекающая из центрального отверстия струя жидкости воздействует непосредственно не на забой скважины, а вершину первой шарошки, что приводит к рассеиванию энергии струи.

Плюсом центральной промывки является то, что промывочная жидкость, омывая забой, поднимается вместе с выбуренной породой по свободным проемам между шарошками и их лапами.

При боковой схеме промывочные отверстия расположены в проемах между лапами. При данной схеме гидромониторные струи воздействуют на поверхность забоя (на его периферии). Но нисходящие гидромониторные струи препятствуют подъему жидкости по проему между лапами долота. Большая часть жидкости вынуждена подниматься по затылкам лап (рис 9б). В результате в этом пространстве происходит перемалывание шлама, на что тратится значительная энергия. Существуют различные пути уменьшения данного недостатка боковой схемы промывки – использование асимметричной схемы промывки, применение удлиненных насадок и т.д. При асимметричной схеме промывки долото имеет два промывочных отверстия. Жидкость вместе со шламом большей частью поднимается по свободному проему между лапами. При удлиненных насадках нисходящая струя оказывается ниже проема между лапами, тем самым облегчается движение восходящей жидкости по этому проему. Очистке забоя способствует направление одной из трех гидромониторных насадок вверх. Последняя создает эжекционный эффект и ускоряет транспортирование шлама в надлототное пространство.

На практике в промышленных масштабах реализована лишь асимметричная промывкой (две гидромоторные насадки вместо трех).

В последние годы все более широкое применение получают долота режущего типа с алмазными твердосплавными пластинами (АТП). Обычно они имеют лопасти, на которых установлены резцы с АТП. Для промывки этих резцов в корпусе долота устанавливаются гидромоторные насадки. Выбуренная порода удаляется по проему между лопастями - по промывочному окну. Обычно число промывочных отверстий равно числу лопастей. Иногда одно промывочное отверстие обслуживает две лопасти (рисунок 3.11).

U_ф

F_тр

G

F_ar

Рисунок 3.9 – Схема сил, действующих на частицушлама в кольцевом пространстве скважины

Выбор расхода промывочной жидкости для очистки забоя

Как было показано выше, на очистку забоя от выбуренной породы влияют большое количество факторов – свойства промывочной жидкости, содержание в ней твердой фазы, схема промывки долота и т.д. Строго говоря, расход промывочной жидкости должен выбираться с учетом всех этих факторов. Однако, такая обобщенная зависимость отсутствует. На сегодняшний день расход для очистки забоя определяют из выражения

Q ≥ q·f₃ (3.18)

где q –удельный расход жидкости, необходимый для эффективной очистки;

f₃ = πD_д²/4 – площадь проекции забоя на плоскость, перпендикулярную оси скважины;

D_д – диаметр долота.

В 50гг. прошлого века проф. Федоровым В.С. для использовшихся тогда долот с центральной промывкой или с щелевыми промывочными каналами предложено иметь q ≈ 0,57÷0,65 м³/с·м².

Данная рекомендация сохраняет свою силу и в настоящее время при бурении забойными двигателями.

При роторном бурении с использованием перепада давления в насадках долота не менее 10 МПа рекомендуется иметь q ≥ 0,35 м/с.

Критерии оптимизации промывки забоя

Естественным было бы иметь расход промывочной жидкости, при котором достигаются наиболее высокие показатели работы долота, т.е. оптимальрым считать расход, при котором dV/dQ = 0.

Очевидно, что величина оптимального расхода должна зависеть от свойств разбуриваемых пород и параметров промывочной жидкости, типа долота и т.п. Однако, до ностоящего времени такая зависимость не установлена. Поэтому дл яоптимизации расхода промывочной жидкости используется различные частные критерии.

Существуют различные частные критерии оптимизации расхода промывочной жидкости.

Критерии минимума дифференциального давления

Известно, что дифференциальное давление определяет величину силы прижатия отколотых частиц шлама к забою. Естественно, желательно иметь его минимальным. Известно, что Р_диф = Р_с - Р_пл

Минимум дифференциального давления достигается при Р_с→min

Р _с= ρ_кпgН + ΔР_кп (3.19)

где ΔР_кп - потери давления в кольцевом пространстве;

ρ_кп - плотность восходящего потока жидкости в кольцевом пространстве.

Но плотность жидкости в кольцевом пространстве зависит от содержания в ней выбуренной породы

ρ_кп = ρ_ж – Δρ (3.20)

где ρ_ж - плотность промывочной жидкости, не содержащей шлам;

Δρ - увеличение плотности промывочной жидкости за счет выбуренной породы

Δρ = (ρ_п - ρ_ж)·φ_щ (3.21)

где ρ_п - разбуреваемых пород;

φ_щ - объемное содержание шлама в потоке жидкости в кольцевом пространстве.

(3.22)

где V_м - механическая скорость проходки;

Q_ж - расход промывочной жидкости;

U_ж, U_ос – соответственно, скорость восходящего потока жидкости в кольцевом пространстве и скорость оседания частиц шлама в этом потоке.

Из приведенных зависимостей следует, что чем выше расход промывочной жидкости, тем меньше, при известной механической скорости, содержание выбуренной породы, тем меньше гидростатическое давление столба жидкости, содержащей шлам. Зависимость Р_с = f(Q) имеет минимум (рисунок 3.10).

Рисунок 3.10 - Определение оптимального значения расхода промывочной жидкости по критерию Рс→min.

Оптимальные значения расхода при бурении долотами D_g = 215,9 мм. c использованием бурильных труб диаметром ≈ 127÷129 мм с промывкой растворами плотностью 1100 ÷ 1200 кг/м³ в зависимости от механической скорости проходки показаны в таблице 3.2.

Таблица 3.2

Vм , м/час	10	25	50	100
Qопт , л/с	24-28	26-30	28-32	30-35

Из приведенных данных следует, что с увеличением V_м оптимальные значения расхода возрастают. Но даже при V_м = 100 м/час они не превышают 35 л/с, что соответствует принятым в настоящее время в практике буровых работ расходам. Данный вопрос был актуален в 70-80 гг прошлого века, когда в Западной Сибири при использовании турбобуров ТЛ практиковали расходы промывочной жидкости в пределах 40-45 л/с, что создавало завышенное давление бурового раствора на забое.

Критерии реализации на долоте необходимой гидравлической мощности

Для реализации данного критерия в соответствии с графиком на рис.8 определяют необходимую удельную гидравлическую мощность N_уд. Затем, рассчитывают гидравлическую мощность на долоте N_г.д = N_уд·F_з.

Зная размеры и количество гидромониторных насадков, определяют расход, при котором реализуется необходимая гидравлическая мощность. Если рассчитанный расход, по каким либо причинам не может быть реализован, задаются другими параметрами гидромоторных насадков и повторяют расчет.

Если тип насоса и размер втулок уже выбраны, могут быть реализованы критерии максимума силы удара гидромоторной струи о забой и критерий максимума гидравлической мощности на долоте

Сила удара гидромоторной струи о забой, определяется по формуле (3.15). При известном диаметре втулок насоса максимум сила удара достигается при ΔР_q→ 0,5[Р], где [Р]- допустимое давление насоса при данном диаметре втулки. Отсюда

(2.23)

где f - площадь промывочных отверстий долота, μ- коэффицент расхода (КПД) насадки.

Максимум гидравлической мощности на долоте, определяемой по зависимости (3.14), достигается при ΔР → 2/3[Р]

Оптимальный расход по данному критерию равен

(3.24)

3.2 Расход, необходимой для транспортирования шлама по стволу скважины на дневную поверхность

Очевидно, что вся выбуриваемая порода (шлам) потоком жидкости должна транспортироваться на дневную поверхность. Если в какой-то части кольцевого пространства транспортирование шлама затрудняется, то это может приводить к нарушению нормального процесса бурения и к авариям.