программ в особых условиях бурения (требующих реализа­ ции предельно низкой подачи буровых насосов).

Методическое руководство по составлению гидравлической программы бурения скважин, основанное на традиционных методах расчета гидравлических сопротивлений, разработано институтами ВНИИБТ и б. ВНИИКРнефть и реализовано в виде РД 39-2-1156 —84. Эта методика так же, как и Справоч­ ник по промывке скважин, позволяет выбрать технологичес­ ки необходимую подачу насосов, диаметр и число насадок долот с учетом горно-геологических и технико-технологи­ ческих условий бурения при заданных показателях свойств буровых растворов. Основное отличие заключается в упро­ щенном определении требуемой скорости восходящего пото­ ка (подачи насосов), для чего используются табулированные значения массовой концентрации шлама, возрастающие от 0,15 до 2,4% при увеличении механической скорости бурения от 1 до 50 м/ч. Кроме того, учитываются требования ЕТП о необходимости реализации в насадках долота скоростей ис­ течения не менее 80 м/с.

9.3. ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ ТУРБИННОГО БУРЕНИЯ

Ниже показано использование потенциальных возможностей дополнительного снижения стоимости 1 м проходки при гидравлических мощностях в насадках долота, регламентируемых гидравлической программой в результате оптимизации режимных параметров турбинного бурения в реальном масштабе времени.

Предложенная разработка предусматривает идентифика­ цию модели буримости в реальном масштабе времени, поиск оптимального решения на ЭВМ и переход от традиционного турбинного бурения в режиме максимальной механической скорости к бурению при осевых нагрузках, оптимизирован­ ных по минимуму стоимости 1 м проходки. При этом пока­ затели гидравлической программы и режимные параметры турбинного бурения оказываются оптимизированными по единой целевой функции — стоимостному показателю, что в соответствии с приведенными выше заключениями позволяет повысить технико-экономические показатели бурения.

Оптимизация режимных параметров турбинного бурения имеет некоторые особенности из-за зависимости частоты вращения вала турбобура от осевой нагрузки на долото.

Обобщенная модель буримости (9.15) при постоянной гид­ равлической мощности в насадках долота, регламентирован­ ной гидравлической программой для турбинного бурения, трансформируется в уравнение Галле — Вудса.

На основании исследований Т.А. Кирия частота вращения долота л при турбинном бурении зависит от безразмерной осевой нагрузки д следующим образом:

где лх, GJQ/D — частота вращения на холостом режиме и удельная осевая нагрузка на тормозном режиме работы тур­ бобура; z — безразмерная константа (1 < z < 2); D — диаметр долота.

Исследуем влияние подачи насосов на изменение механи­ ческой скорости и механической мощности на валу турбобу­ ра.

При конкретном сочетании турбобура, долота и типа гор­ ной породы уравнение (9.83) с учетом изменения подачи на­ сосов от Q, до 0 2 на основании данных А.А. Погарского и других можно записать в виде

Уравнение (9.85) отображает новую характеристику турбо­ бура при измененной подаче насосов.

Введем обозначения:

холостом режиме и удельной тормозной Нагрузки соответст­ венно при изменении подачи насосов от 0\ До 02

Постановка (9.85) в уравнение Галле — Вудса с учетом вы­

Поскольку d2vM/ dg2 < О, то функция (9.88) имеет макси­ мум. Приравнивая первую производную нулю, определим удельную осевую нагрузку (G/D)v, обеспечивающую максимум механической скорости проходки,

(9.89)

Выражение (9.89) при Q, = 0 2 полностью совпадает с ана­ логичной зависимостью, впервые полученной Т.А. Кирия.

В свою очередь, мощность на валу турбобура NTпри рабо­ те долота на забое можно определить из соотношения, запи­ санного в виде

Крутящий момент при неизменной подаче насосов выра­

При анализе зависимости (9.92) следует, что d2NJ/dg2 < 0, т.е. функция (9.92) так же, как и (9.88), имеет максимум. По­ сле его нахождения при dNT/ dg = 0 определим удельную осевую нагрузку (G/D)Nr, при которой достигается макси­ мальная мощность на валу турбобура:

(9.93)

Сопоставляя выражения (9.89) и (9.93), приходим к важно­ му выводу, что совместить удельные осевые нагрузки, обес­ печивающие максимумы механической скорости и мощности

на валу турбобура, изменяя подачи насосов, невозможно. Вместе с тем (G/D)v = (G/D)„r при а = Р, что, повидимому, может иметь место при определенных значениях дифференциального давления.

Выражение (9.89) для определения экстремальной безраз­ мерной осевой нагрузки gv при постоянной подаче насосов приведем к виду

Уравнение (9.94) позволяет определить параметр p/а, ха­ рактеризующий соотношение между показателями степени уравнения буримости, по величинам z и gv. График зависи­ мости параметра p/а от gv приведен на рис. 9.2. Из графика следует, что диапазон экстремальных значений безразмерных осевых нагрузок, в пределах которого возможно совмещение

р/сс

Рис. 9.2. Зависимость соотношения p/а от безразмерной осевой нагрузки g v, соответствующей максимальной механической скорости бурения тур­ бобуром:

режимов бурения по максимумам механической скорости и мощности, находится в пределах 0,5 < ду < 0,58. В диапазоне 0,7 < gv < 1 параметр р/а оказывается фактически независи­ мым от нелинейной характеристики турбобура z, что упро­ щает процесс идентификации. В общем же случае величина z требует определения. В принципе безразмерный коэффици­ ент z может быть определен с использованием забойного турботахометра. При наличии ЭВМ на станциях контроля бурения (“Старт", "Геотест" и т.д.) идентификация реальной характеристики турбобура по уравнению (9 .9 3 ) представляет­ ся элементарной процедурой и здесь не рассматривается.

Между тем диапазоны изменения коэффициента z можно установить более простым способом — по значениям частот вращения и моментов на валу турбобура в долях от стендо­ вых характеристик лхс и М^ (табл. 9.4).

Значение z определим, используя зависимости (9.83) и (9.93):

Расчеты по уравнению (9.95) с использованием данных табл. 9.4 показывают, что среднее значение показателя нели­ нейности характеристики турбобура z с опорой качения со­ ставляет 1,4, с резинометаллической пятой — 2,0.

Рассмотрим теперь возможности идентификации осталь­ ных коэффициентов (а, р, kf, G^) в модели буримости (9.88) при работе турбобура с заданным расходом бурового рас­ твора на забое бурящейся скважины. При идентификации рекомендуется использовать метод поиска экстремальных нагрузок, широко применяемый на станциях контроля буре­ ния. Сущность метода сводится к регистрации на диаграмме самописца тормозной осевой нагрузки Gt0 и изменения осе­ вой нагрузки на забой во времени т при заторможенном ба­ рабане буровой лебедки. Величина gv = (Gy/G*)), соответст-

вующая максимуму механической скорости бурения, опреде­ ляется ординатой точки кривой G (т), удовлетворяющей усло­ вию 32G/3т2 = 0 и практически четко фиксируемой на диа­ грамме в зоне наиболее интенсивной скорости разгрузки. Последовательность идентификации при бурении горных по­ род однородной литологической характеристики сводится к следующему.

Вначале по типу турбобура и типоразмеру долота устанав­ ливаются значения пхс, D и тип опоры турбобура, а также значение коэффициента z (для опоры качения z = 1,4; для резинометаллической пяты z = 2,0). После спуска турбобура на забой и приработки долота по кривой разгрузки турбобу­ ра при заторможенном барабане буровой лебедки фиксиру­ ются величины GJO и Gv(gv — Gy/Gj).

Затем в течение нескольких минут (At) производится буре­ ние при нагрузке Gv, фиксируется Ah и вычисляется макси­ мальная механическая скорость бурения vmax = Ah/At. Значе­ ние р/а определяется по формуле (9.94) или по графику (см. рис. 9.2) при известных z и ду.

Далее определяется нагрузка G0, обеспечивающая в первом приближении режим бурения, соответствующий минимуму стоимости 1м проходки. Эта нагрузка примерно на 10%

При нагрузке G0 бурят до полного износа вооружения или опоры долота; определяют проходку h , время бурения Г и величину v0 = h/T. В связи с этим рейс долота для иденти­ фикации константы износа вооружения или опоры долота не является избыточным, что важно с экономической точки зрения.

По полученным данным в соответствии с зависимостью (9.88) составляется система из двух уравнений:

' с . '

= */

(9.97)

( „ \°-

(ли»**)*!1- grS)p.

\ DJ

где т — поправка на частоту вращения из-за трения в пяте турбобура (т = 0,58 для резинометаллической пяты и т = = 0,95 для опоры качения).