книги из ГПНТБ / Фоменко, Ф. Н. Бурение скважин электробуром

Здесь /Стн. пр и Ктт. пр — коэффициенты трансформаций соответ­ ственно напряжения и силы тока, указанные на шкале прибора; К-ш и /Стт — то же, для установленных трансформаторов.

ГЛАВА 10

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ ГЛУБОКИХ СКВАЖИН

Совершенствование технологии бурения нефтяных и газовых скважин электробурами базируется на научно-исследовательских работах, выполняемых на основе данных, полученных в результате бурения опорно-технологических и промышленных скважин в раз­ личных геологических условиях.

Для определения оптимальных режимов бурения были уста­ новлены зависимости технологических и энергетических показате­ лей от параметров режимов бурения в реальных условиях

текущее время; п — скорость вращения долота в об/мин; ѵ— меха­ ническая скорость; Q — количество агента, применяемого для вы­

довых условиях. Однако режимы бурения невозможно рассчитать только на базе стендовых исследований.

При промысловых экспериментах встречаются трудности,, связанные с перемежаемостью пород, поэтому неоднородность про­ ходимых горных пород, по возможности, оценивают по механиче­ ской скорости бурения, проходке на долото при неизменных про­ чих параметрах, а также по каротажным диаграммам.

Достоверность данных, полученных при бурении электробуром, обусловливается большим числом экспериментов, проведенных с долотами различных типов в процессе бурения более 40 опорнотехнологических и многих промышленных скважин в различных ге­ ологических условиях Башкирской АССР, Куйбышевской области, Туркменской ССР, Украинской ССР и Азербайджанской ССР.

Исследования проводили в широком диапазоне изменения пара­ метров режимов бурения (G = 5-b40 тс, н=70-н900 об/мин), что также обусловило определенность полученных выводов.

При исследовании режимов бурения электробурами в первую' очередь было установлено влияние количества и качества агента,

210

применяемого для удаления выбуренной горной породы на показа­ тели бурения. При этом было определено количество бурового раствора, технологически необходимое для удовлетворительной •очистки забоя, что стремились обеспечить во всех экспериментах при исследовании режимов бурения в зависимости от осевой на­ грузки и скорости вращения долота.

Вращающий момент на долоте в процессе бурения

Вращающий момент, необходимый для вращения долота при бу­ рении под действием осевой нагрузки, является одной из главных характеристик забойного процесса, предопределяющей технологи­ ческие показатели бурения и основные размеры привода долота.

Многие исследователи, считая вращающий момент одной из ос­ новных характеристик привода долота, связывают его величину •с диаметром долота, скоростью вращения и другими параметрами; при этом определяют удельные значения вращающего момента.

Взаимодействие долота с породой наиболее полно может ха­ рактеризовать удельный момент М у, отнесенный к единице осевой

нагрузки на долото.

G — осевая нагрузка в тс.

Удельный момент — это величина вращающего момента, кото­ рую необходимо приложить к долоту данного типоразмера в про­ цессе бурения данной горной породы при повышении осевой нагрузки на 1 тс. При подсчетах удельного момента необходимо выделять затраты вращающего момента на преодоление момента •сопротивления, не связанного с процессом работы долота на забое.

Например, нельзя определять М у, исходя из величины враща­

ющего момента, развиваемого забойным двигателем, если не вы­ делить потери в пятах, или определить М у при роторном бурении,

исходя из величины вращающего момента, приложенного к бу­ рильным трубам, и не выделяя потери на трение бурильной ко­ лонны о стенки скважины и на вращение ее в буровом растворе.

Удельным моментом характеризуется взаимодействие долота с горной породой и не характеризуется забойный двигатель. В то же время по величинам удельного момента, осевой нагрузки и по­ терь на холостое вращение долота может быть рассчитана момент­ ная характеристика двигателя.

Поскольку при электробурении можно довольно точно выделить различного рода потери, рекомендуется полученные значения М у

принимать для расчета параметров приводных двигателей долота и режимов бурения.

Рассмотрим составляющие затрат энергии при вращении до­ лота без приложения осевой нагрузки. Величина вращающего мо­ мента, необходимая для вращения долота в скважине, заполнен­

где Мг — вращающий момент, затрачиваемый на преодоление гид­ равлического сопротивления при вращении долота; Мб. т — враща­ ющий момент, затрачиваемый на преодоление бокового трения долота о стенки скважины.

Величина вращающего момента, затрачиваемая на преодоление бокового трения долота о стенки скважины, зависит от угла на­

Здесь К —■коэффициент, характеризующий величину вращаю­ щего момента на долоте при бурении с боковым усилием 1 тс; его величину можно принять равной удельному моменту при бурении данным долотом; IQ — вес электробура в тс; а •—угол наклона скважины.

Если принять /(лгМу=10 кгс’м/тс и вес электробура 3 тс, то при горизонтальном расположении электробура

будет составлять ничтожную величину, при бурении вертикальных скважин ею можно пренебречь.

По сравнению с вращающим моментом, затрачиваемым на пре­

•

П р и м е ч а н и е . Приведенные данные получены при бурении с промывкой забоя рас­ твором удельного веса 1,2—1,7 гс/см3.

212

ляет сравнительно небольшую величину. В табл. 33 приведены со­ ответствующие значения мощности Nx для различных диаметров трехшарошечных долот, составленные по данным замеров в сква­ жинах различных районов бурения.

Основная часть вращающего момента, приложенного к до­ лоту, затрачивается на преодоление сопротивления, обусловлива­ емого приложением осевой нагрузки.

При бурении скважин электробурами в различных районах страны были измерены энергетические и технологические парамет­ ры, позволившие построить для различных осадочных и кристал­ лических пород кривые зависимости вращающего момента на до­ лоте от осевой нагрузки.

На рис. 101 показаны типичные зависимости M — f(G) для не­ которых интервалов различных скважин. В табл. 34 приведены цифровые данные для построения зависимостей на рис. 101, б.

Из приведенных графиков следует, что зависимость вращаю­ щего момента от осевой нагрузки представляет собой прямую линию с различным углом наклона а к оси абсцисс, отсекающей на оси ординат значение момента Мх.

Поскольку показания индикатора веса, используемые для под­ счета Му часто содержат погрешности, связанные с зависанием бурильной колонны, было проведено специальное исследование за­ висимости MG= / (G) с использованием забойного датчика осевой нагрузки. Эксперименты проводили на Шебелинском газовом ме­ сторождении на глубинах около 2000 м после спуска промежуточ­ ной колонны. При' этом показания забойного датчика дублирова­ лись показаниями индикатора веса.

Данные измерений приведены в табл. 35, на основании которой построена зависимость MG—f (G).

Как видно из рис. 102, зависимость вращающего момента от осевой нагрузки представляет прямую под углом к оси абсцисс. Таким образом, исследования, проведенные с забойным датчиком: осевой нагрузки, подтверждают результаты исследований, приве­ денных на рис. 101, а также независимость удельного момента от осевой нагрузки.

Указанная зависимость вращающего момента от осевой нагруз­ ки действительна при проходке однородной горной породы. Есте­ ственно, что с изменением свойств горной породы по мере ее раз­ буривания при одинаковой осевой нагрузке соответственно изме­ няется вращающий момент на долоте, а запись регистрирующим прибором момента или мощности (при м = const) по существу мо­ жет рассматриваться как энергетический каротаж (см. рис. 6). Поэтому, приводя данные об удельном моменте, необходимо указы­ вать его нижнее и верхнее значение для данной пачки горных по­ род, горизонта или свиты.

Опыт бурения электробурами новых типоразмеров, обеспечив­ шими бурение при повышенных осевых нагрузках, подтвердил пря­ молинейную зависимость вращающего момента MY — f (G) также и

213

215

Таблица 35

Результаты измерений и вычислений забойных значений осевой нагрузки, мощности и вращающего момента на долоте при бурении скв. 309 Шебелинского месторождения

П р и м е ч а н и е . Мощность на холостое вращение долота составляет 3 кВт.

при высоких значениях осевой нагрузки. Это относится как к бу­ рению трехшарошечными, так и лопастными долотами. Таким об­

216

лостая работа электробура. В подобных случаях вычисление Мг

бессмысленно.

В процессе работы долота на забое в связи с износом его из­ меняются и значения удельного момента Му, поэтому изменение Му количественно характеризует износ долота. В начале работы долота величина Му имеет наименьшее значение Му. затем до­ стигает среднего значения Му и в конце работа увеличивается быстро, достигая наибольшего значения Мук. Обычно к концу ра­ боты долота на забое наряду с возрастанием Му появляются рез­

нии осевой нагрузки заклинивания роликов не происходит в течение некоторого времени и бурение идет нор­

мально до тех пор, пока опора долота износится до такой степени, при которой вновь установленная осевая нагрузка вызовет перекос и заклинивание роликов. Ступенчатое снижение осевой нагрузки позволяет увеличить время пребывания долота на забое и, следо­ вательно, повысить проходку на долото.

Оценка износа долота и своевременное определение момента его подъема при электробурении позволяет улучшить отработку долота и предотвратить аварийность. Так, при проходке скв. 740

на 100%, при этом был только один случай оставления шарошек на забое.

При составлении таблиц удельных моментов для различных районов и стратиграфических горизонтов, для долот разных типов принято приводить средние значения удельного момента Му, прет котором ведется бурение. В ряде специальных исследований це­ лесообразно наряду со средними значениями Му указывать значе­ ния МуК, относящиеся к концу работы долота на забое.

217

218

Наименьшие значения Afy характерны для трехшарошечных до­ лот. Долота режуще-истирающего типа, в том числе алмазные, обусловливают повышенное значение удельного момента. Алмаз­ ные долота, кроме того, обладают повышенной чувствительностью к проходимым породам, т. е. при изменении свойств породы коле­ бания удельного момента более значительны. Так, при бурении ме-

в аналогичных породах кратность крайних значений Му для шаро­ шечных долот составляет всего 1,6.

М, кгс • м

Рис. 104. Зависимость вращающего момента для алмаз­ ного 212-мм долота от осевой нагрузки в различных про­ пластках менилитовых отложений (западная часть Украины) интервал бурения 2000—2600 м:

1—7 — различные по твердости пропластки, твердость пород воз­

растает с порядковым номером.

Повышенная чувствительность к изменениям свойств горной по­ роды не позволила обеспечить устойчивую работу электробуру Э170-8 при осевых нагрузках более 10 тс. Специальные исследова­ ния, проведенные при бурении свиты медистых песчаников в Харь­ ковской области, также показали, что устойчивая работа электро­ бура Э170-8 с алмазным долотом обеспечивается только при осевых нагрузках до 10 тс, в то время как при использовании трех­ шарошечного долота в подобных условиях устойчивая работа обес­ печивается при 15—16 тс.

Таким образом, из результатов наблюдений за бурением глу­

гатель должен обладать вращающим моментом в 1,5 раза боль­ шим, чем при бурении трехшарошечным долотом.

В результате записей мощности и вычислений вращающего мо­ мента на долоте установлено, что удельный момент пропорциона­ лен диаметру долота

(106)

219