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

где Di и D%—- диаметры долот; Му[ и Му 2 — удельные мо­ менты.

На основании результатов измерений мощности при изменении скорости вращения долота в процессе бурения и вычислений значе­ ний удельного момента для трехшарошечных долот и долот ДИР построен ряд кривых для различных горизонтов скважин (рис. 105).

Из кривых видно, что Му сохраняет постоянную величину в пре­ делах 350—680 об/мин и при уменьшении скорости вращения воз­ растает. Такое изменение Му можно объяснить характером измене­ ния коэффициента трения, а также снижением проходки за один оборот долота в связи с повышением скорости вращения. На ос­ новании результатов проходки опорно-технологических скважин во многих районах страны определены величины удельных моментов при бурении различных стратиграфических горизонтов.

, кгс-м/глс

В табл. 20—24 приведены величины удельных моментов для долот различных типов и различных скоростей вращения, получен­ ные главным образом при бурении электробурами. Из этих таблиц видно, что для вязких пород характерно повышенное значе­ ние Му, а для крепких пород ряда горизонтов наблюдаются невы­ сокие значения Му. Кроме того, с понижением скорости вращения значения удельных моментов возрастают. Значения удельных мо­ ментов для долот режуще-истирающего типа более высокие, чем для шарошечных.

Как уже отмечалось ранее, электробуры выпусков до 1969 г. не обеспечивали режимов бурения при высоких значениях осевых на­ грузок. Для высокоэффективного процесса бурения необходимо было повышать номинальный и максимальный вращающий мо­ менты большинства двигателей электробуров. С целью обеспече­ ния требуемых удельных значений М НОм/Дзаб и М т а х /Дзаб для долот диаметрами 214, 269 и 394 мм следовало создавать электробуры новых типоразмеров.

220

Для расчета основной характеристики электробура— вращаю­ щего момента — были использованы приведенные выше данные о величинах удельного момента по месторождениям Советского Союза, а также результаты экспериментальных и научно-исследо­ вательских работ в области определения оптимальных величин осе­ вых нагрузок.

Необходимые значения вращающего момента можно рассчитать по формуле

Му' — удельный момент в моментоемких породах для данного ди­

Величина максимального момента двигателя Л4т ах и кратность максимального момента MmaxjMW0M были также повышены, в свя­ зи с пикообразным характером изменения вращающего момента, особенно в конце рейса Мт ах/-Мном = 2,2.

В результате расчетов были определены технические задания на проектирование новых типоразмеров электробуров с повышен­ ными энергетическими показателями *.

Оснрвные характеристики электробуров новых типоразмеров приведены в табл. 11, 12 и 13. Значения МНом/7гзаб= 0,39 кгс*м/см2 электробуров Э164-8М и Э170-8М. новых типоразмеров не могут быть более высокими при существующем уровне машинной посто­ янной Са (см. главу 2). Однако и достигнутое значение Мном/Дзаб обеспечивает более эффективный процесс бурения по сравнению с бурением электробурами Э164-8 и Э170-8. Электробуры всех ос­ тальных типоразмеров (Э185, Э215-8М, Э240-8, Э250-8, Э290-12) обеспечивают бурение с высокими значениями осевых нагрузок.

Особенно высокие показатели имеют электробуры с редукто­ рами-вставками (табл. 12 и 13). Эти электробуры располагают практически неограниченным вращающим моментом, ибо момент сопротивления, возникающий на долоте при реальных осевых на­ грузках, несравненно ниже значений вращающего момента, раз­ виваемого редукторными электробурами.

Механическая скорость бурения

Весьма важным и наиболее доступным показателем, характе­ ризующим режим бурения, является механическая скорость ѵ. Обычно стремятся бурить при максимальном значении ѵ и ограни­ чивают скорость лишь в вынужденных обстоятельствах, связан­ ных с кривизной скважины, стойкостью опоры долота и др.

* Технические задания были разработаны автором в Лаборатории электро­ бурения ВНИИБТ, проектирование электробуров выполнено Специальным кон­ структорско-технологическим бюро по электробурению — СКТБЭ.

221

Механическая скорость бурения зависит от типа породоразру­ шающего инструмента, осевой нагрузки G, передаваемой на до­ лото, скорости вращения долота п, качества и количества агента, применяемого для выноса выбуренной породы, а также от гидрав­ лической мощности, расходуемой при выходе струи из промывоч­ ных отверстий долота. Исследования зависимости механической скорости от указанных параметров проводили в стендовых и про­ мышленных условиях.

К недостаткам исследований при бурении скважин относятся: а) при роторном способе — ограниченная скорость вращения долота и невозможность точного подсчета мощности, потребляемой

долотом; б) при турбинном способе — изменение скорости вращения до­

лота при повышении осевой нагрузки; отсутствие данных о скоро­ сти вращения долота и о мощности, потребляемой долотом.

Значительный объем экспериментов по выявлению зависимости механической скорости бурения при малых (роторный способ) ско­ ростях вращения долота главным образом в стендовых условиях выполнен М. Г. Бингхемом [11].

Зависимость механической скорости от осевой нагрузки

Зависимость о = / (G) снимается обычно для всех пачек гор­ ных пород, проходимых при бурении опорно-технологических сква­ жин. Ниже приведены некоторые экспериментальные зависимости v —f (G), снятые при разных, но постоянных на протяжении экс­ перимента, скоростях вращения долота в различных стратиграфи­ ческих горизонтах.

На рис. 106 показаны графики изменения ѵ в зависимости от G для различных долот, интервалов и горизонтов. Кривые сняты в первой трети работы долота на забое при неизменных расходе бурового раствора и скорости вращения долота. Зависимость снята при относительно небольших осевых нагрузках, которые ограничи­

работы долота на забое в крепких породах турнейского горизонта скв. 35 Малышевской площади при различных скоростях вращения долота.

На рис. 108 приведены зависимости v= f (G) для различных скоростей вращения долота Б-269С, снятых в интервале 3119— 3141 м сабунчинской свиты.

На рис. 109 приведены зависимости v = f (G) при бурении до­ лотом 2Д-394С в песчанистых и глинистых породах Карадагского месторождения (интервал 1470—1644 м) при скоростях вращения 335 и 680 об/мин.

222

=655 об/мин.

V, м/чI

Рис. 108. Зависимость u= f(G) для различных скоро­ стей вращения долота Б-269С, снятые в интервале 3119—3141 м скв. 113 Карадаг:

На рис. ПО приведены зависимости v = f (G) при бурении ло­ пастными долотами ДЗСГЗЛИР-394 при скоростях вращения 335 и 680 об/мин.

Как видно из приведенных зависимостей для всех установлен­ ных скоростей вращения долота зависимость v = f (G) имеет пря­ молинейный характер, при этом наклон прямых с повышением ско­ рости вращения становится круче.

дей Куйбышевской области. При изношенном долоте коэффициент k меньше. Темп снижения значений коэффициента k по мере из­ носа долота зависит от износостойкости долота и абразивности разбуриваемой породы.

На приведенных кривых v= f (G) по оси абсцисс не прослежи­ вается участок, отсекаемый «рабочей» кривой М. Г. Бингхэма [11]. Это можно объяснить тем, что такой участок получается при

224

226

низкооборотном бурении, главным образом при стендовых испыта­ ниях, а приведенные выше зависимости относятся к высокооборот­ ному бурению с динамическими процессами в нижней части ко­ лонны бурильных труб, в особенности при небольших осевых на­ грузках.

165 об/мин возникают сильные вибрации и многократно возрастают динамические осевые нагрузки, существенно влияющие на забой­ ный процесс и эффективность бурения.

Так, в табл. 6 и на рис. 5, а было показано, что при затормо­ женной лебедке в момент, когда осредненное значение осевой на­ грузки снизилось с 20—22 до 7 тс, возникли сильные вибрации при увеличении амплитуды от 0,3 до 0,9 мм и при уменьшении частоты с 40—46 до 4,5 Гц. При этом диапазон колебаний осевой на­ грузки (7-е9 тс) увеличился до 3—13 тс.

Таким образом, в зоне небольших значений осевых нагрузок процесс бурения в условиях реальной скважины существенно от­ личается от процесса бурения в стендовых условиях, которые в ос­ новном послужили Н. Г. Бингхэму источником построения зависи­ мости механической скорости от осевой нагрузки.

Зависимость механической скорости от мощности на долоте

Рассмотрим зависимость механической скорости бурения от мощности NG, расходуемой на преодоление вращающего момента на долоте, возникающего от действия осевой нагрузки

где

N a= N A- N 0,

іѴд— мощность, подведенная к долоту; No— мощность, расходуе­ мая на вращение долота в скважине без приложения осевой на­ грузки.

На рис. 111 приведен ряд зависимостей механической скорости при различной скорости вращения долота от мощности N G , пост­ роенных по данным бурения в различных интервалах разными до­ лотами.

Поскольку при построении приведенных графиков были выде­ лены потери мощности No, то все линии, выражающие зависимость

Установление зависимости механической скорости бурения от мощности, реализуемой на долоте, имеет весьма важное значение, так как она позволяет анализировать процесс бурения при раз­ ных осевых нагрузках и скоростях вращения долота. Например, из группы кривых, приведенных на рис. 111, видно, что одинаковая механическая скорость достигается при разных скоростях враще­ ния и различной мощности, возрастающей с повышением скорости вращения долота. Из кривых также видно, что при одинаковом уровне мощности на долоте механическая скорость возрастает с понижением скорости вращения долота.

Подробный анализ режима бурения при различных значениях G и п и постоянной мощности приведен ниже.

Зависимость ѵ от мощности, реализуемой долотом в процессе бурения, используется не только для оценки эффективности режи­ мов бурения, но и для определения технологических процессов. По ваттметру судят о работе долота и электробура в данный момент: определяют, при какой мощности оно работает, что дает возмож­ ность выяснить, насколько изношены опоры долота, не заклини­ ваются ли шарошки, и позволяет принять решение о подъеме до­ лота или о продолжении бурения при той или иной осевой на­ грузке.

По мощности или (что почти одно и то же) активной составля­ ющей тока наиболее целесообразно регулировать подачу долота и оценивать истинную величину осевой нагрузки на долото. По­ следнее хорошо иллюстрируется данными, приведенными в табл. 35, составленной по результатам измерений забойным датчиком осевой нагрузки при бурении скв. 309 на Шебелинском газовом месторож-

228

дении, а также кривой NG=f (G), построенной по результатам этих измерений.

На рис. 112 показано изменение осевой нагрузки, записанное с помощью регистрирующих приборов. Запись выполнена в про­ цессе бурения свиты медистых песчаников трехшарошечным 190-мм долотом в следующем порядке. При осевой нагрузке, со­ ответствующей полной загрузке электробура, была прекращена по­ дача долота и заторможен барабан лебедки. С момента прекра­ щения подачи долота происходит упругая деформация сжатой ча­

Определение механической скорости по мощности более просто, так как не требует специальной забойной аппаратуры. Без отде­ ления потерь в системе токоподвод — электробур уже по форме записи мощности, забираемой электробуром, N '—f (t) видна зона (или точка) эффективного использования мощности. В ряде слу­ чаев могут быть такие условия, при которых с повышением мощ­ ности (или осевой нагрузки) механическая скорость не увеличи­

вается.

Определение механической скорости по перемещению верхнего конца колонны при ступенчатом изменении осевой нагрузки недо­ статочно точно и требует много времени. На снятие кривой

229