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

раствора по мере углубления скважины и температуры пород вдоль ствола (рис. 3).

Изменение температуры раствора на забое (линия 1) опреде­ лено до глубины 2970 м; продолжение этой линии сделано на ос­

ствующие линии 1 и 2 изменения забойных температур (см. рис. 3).

Анализ приведенных выше результатов измерений температуры циркулирующего бурового раствора приводит к ряду выводов.

1. Температура бурового раствора на забое непосредственно после спуска бурильной колонны (до начала циркуляции) может быть определена из следующего соотношения:

20

Коэффициент Сі имеет размерность геотермического гради­ ента; он характеризует изменение температуры бурового раствора по мере углубления скважины.

2. С началом циркуляции температура бурового раствора бы­ стро снижается и с течением (для данной глубины) времени до­ стигает минимального значения Ѳзцм. В дальнейшем температура циркулирующего бурового раствора вследствие общего его про­ грева повышается на 0,5—1°С в 1 ч.

Эта закономерность искажается при небольших глубинах сква­ жин, если буровая оборудована емкостью большого объема, так как при небольшой поверхности стенок скважины значительное количество раствора, поступающего из емкости, не может быстро' прогреться. Изучение влияния температуры бурового раствора, со­ держащегося в емкости, на забойную температуру при небольших глубинах скважин не представляет интереса, так как нас интере­ суют температуры глубоких скважин, по которым следует выби­ рать материалы и параметры забойных машин.

Значение температуры Ѳ3цм циркулирующего бурового раствора

где с2 — коэффициент, зависящий от геотермического градиента, диаметра скважины и бурильных труб, длительности спуско-подъ­ емных операций и промывки (для условий скв. 216 с2 = 0,0111).

3. Чем глубже скважина, тем больше разница между темпера­ турой раствора на забое, замеренной непосредственно после спу­ ска бурильной колонны Ѳзш и минимальной температурой в про­ цессе циркуляции ѲзцмЭта разница, представляющая величину спада температуры после начала циркуляции, может быть вычис­ лена из соотношения

ГДѲ Ѳсп — величина спада температуры; с3— коэффициент харак­ теризующий величину спада температуры от Ѳзн до Ѳзцм (для уело вий скв. 216 сз= 0,0176 — 0,0111= 0,0065).

4. Чем глубже скважина, тем позже температура раствора на забое достигает минимального значения ѲзцмВремя, за которое происходит спад температуры

туры от Ѳ3ц до Ѳзцм, в мин; с4— коэффициент (для условий скв. 216

21

=0,0125).

5.Чем глубже скважина, тем выше температура бурового рас­

твора на выходе (измеренная в желобе) и входе (измеренная в манифольде). Распределение температуры циркулирующего бу­ рового раствора внутри бурильных труб вдоль ствола скважины на различных глубинах можно представить линиями 4—7 рис. 3), проходящими через точку Ѳзцм и точку Ѳвх (температуры на входе).

Сувеличением прогрева бурового раствора к концу работы долота на забое эта линия перемещается параллельно предыду­ щей, т. е. температура на забое повышается настолько же, на­ сколько увеличивается температура на входе (линия 5).

Суглублением скважины, если не изменяется геотермический градиент вдоль ствола скважины и не меняется диаметр скважины

итруб, линия 4 распределения температуры раствора внутри бу­ рильных труб вдоль ствола перемещается вправо параллельно предыдущему положению. Все эти линии пересекают линию есте­ ственной температуры горных пород.

По данным замеров при установившемся режиме циркуляции

дающее действие желобной системы невелико и что основной теп­ лообмен происходит между верхними и нижними слоями горных пород, пересекаемых скважиной.

При определении забойной температуры взаимосвязь между забойной температурой циркулирующего бурового раствора ѲЗЦм температурой на выходе Ѳвых и глубиной скважины можно выра­ зить следующей формулой

где с6 — коэффициент (для условий скв. 216 с6 = 0,00267). Изложенные выше соотношения и значения коэффициентов поз­

сделать прогноз для более глубоких скважин, что показано в виде пунктирных линий на рис. 3.

В скв. 100 на Шаховой Косе (Азербайджанская ССР) темпера­ тура раствора на глубине 6300 м после подъема бурильной ко­ лонны составила 100° С.

Как видно из рис. 3, на котором произведена экстраполяция, эта точка ложится между линиями 1 и 2, что подтверждает сделанное прогнозирование.

22

Таким образом, мы располагаем сведениями о температуре ок­ ружающей среды электробуров, предназначенных для работы на различных глубинах.

При бурении глубоких скважин в районах с высоким геотерми­ ческим градиентом следует учитывать обстоятельства, вследствие которых нагрев двигателя электробура достигает установившейся температуры только тогда, когда забойная температура циркули­ рующего бурового раствора снизится до минимального значения. Эти обстоятельства следующие:

1) после спуска бурильной колонны в течение 15—25 мин про­ водят промывку и затем проработку участка скважины, пройден­ ного предыдущим долотом; при проработке двигатель работает

врежиме, близком к режиму холостого хода;

2)для приработки долота при электробурении нагрузка на него

1 тс осевой нагрузки, чем изношенное;

4) обмотка двигателя электробура при номинальной мощности нагревается до установившейся температуры только через 12— 18 мин. В связи с перечисленным выше следует считать, что об­ мотка двигателя до установившейся температуры может нагре­ ваться через 42—63 мин после начала циркуляции бурового рас­ твора. Это время примерно совпадает со временем, в течение которого температура циркулирующей жидкости снижается до ми­ нимального значения Ѳзцм. Кроме того, следует учитывать, что изо­ ляция класса ВС, применяемая в двигателях электробуров, допу­ скает кратковременный перегрев до 170° С.

Таким образом, для проектирования можно принять темпера­ туру окружающей среды электробура, равную температуре цирку­ лирующего бурового раствора после спада до минимального зна­ чения Ѳзцм.

Осевые нагрузки, вибрации, удары

Разрушение забоя скважин осуществляется посредством вра­ щения породоразрушающего инструмента, находящегося под дей­ ствием осевой нагрузки. Для эффективного разрушения горной породы шарошечными, алмазными и лопастными долотами зада­ ются различные осевые нагрузки. Наибольшие осевые нагрузки,, допускаемые при бурении шарошечными долотами приведены в табл. 3 [62].

Способы создания осевой нагрузки на долото при роторном,, турбинном способах бурения и электробурении несколько отлича­ ются. При роторном бурении осевая нагрузка на долото создается весом GTp сжатой нижней части колонны бурильных труб, при тур­ бинном бурении—-полностью или частично перепадом гидравличе­ ского давления в турбине турбобура.

2а

Когда турбобур приподнят над забоем, вес его ротора Gp и гидравлическая нагрузка на ротор Gr воспринимаются верхней поверхностью подпятников. При этом гидравлическая нагрузка

Ог

где Ар — перепад давления в турбобуре и долоте, кгс/см2; Dcp — расчетный диаметр турбины, см.

По мере восприятия осевой нагрузки GÄ долотом верхняя по­ верхность подпятников разгружается и когда

0 Л= 0 т-\-0р,

подпятники нагрузки не несут. Дальнейшее увеличение нагрузки на долото осуществляется прибавлением к гидравлической на­ грузке и к весу ротора веса статора турбобура и сжатой нижней части колонны бурильных труб. Таким образом, пята турбобура воспринимает только часть осевой нагрузки на долото.

Величина гидравлической нагрузки на вал турбобура в зави­ симости от количества и свойств промывочной жидкости составляет 188]: для турбобуров диаметром 250 мм 9—23 тс, диаметром 210 мм 7—17 тс, диаметром 168 мм 2,3—8 тс.

При бурении электробуром осевая нагрузка на долото созда­ ется весом электробура G3 и весом нижней части колонны буриль­ ных труб GTp, находящейся в сжатом состоянии. Гидравлическая нагрузка на долото при этом практически отсутствует. Таким об­ разом, если подпятники турбобура при больших осевых нагрузках на долото разгружаются при действии гидравлического усилия Gr, то при электробурении вся осевая нагрузка на долото (за исклю­ чением веса шпинделя и долота) должна передаваться через под­ пятники шпинделя.

Необходимо отметить, что показания осевой нагрузки по инди­ катору веса, датчик которого установлен на неподвижном конце

значения осевых нагрузок на долото.

24

Фактически осевые нагрузки на долото значительно колеб­ лются, что обусловлено, с одной стороны, неравномерной подачей долота с поверхности, а с другой стороны, взаимодействием долота с забоем, в результате чего образуются вибрации бурильной ко­ лонны и колебания осевых нагрузок, распространяемых от долота вверх по колонне.

Неравномерность подачи долота обусловливается ручной его

может быть и при подаче долота с помощью автоматического ре­ гулятора.

Для определения величины колебания осевой нагрузки при руч­ ной подаче были проанализированы синхронные записи ваттметра, регистрирующего мощность, забираемую электробуром, и индика­ тора веса, установленного на неподвижном конце талевого каната. Измерения сделаны при бурении скв. 919 Восточно-Черновской площади в Куйбышевской области. Было рассмотрено несколько сотен циклов ручной подачи.

При сопоставлении изменений осевой нагрузки и соответствую­ щих этим изменениям значений мощности обращают на себя вни­ мание значительные колебания мощности при небольших измене­ ниях показаний индикатора веса.

Таблица 4

Величины мощности, вращающего момента и осевых нагрузок на долото

В табл. 4 для некоторого числа циклов ручной подачи долота при бурении в подольском горизонте приведены данные о величи­ нах мощности Nv и вращающего момента Л1Р на долоте, а также средние данные о величине вращающего момента Му, который

25

тору веса и датчику ВНИИБТ, установленным на неподвижном конце каната талевой системы, мощность Ар и момент Мѵ значи­ тельно изменяются.

Полагая, что порода не изменяется при каждом цикле ручной подачи долота, по величине отношения Л4Р/Л4У можно определить действительные значения осевой нагрузки, действующей ыа долото. Эти расчетные значения осевых нагрузок Gp a C 4 также приведены в табл. 4.

Как видно из табл. 4, при колебаниях осевых нагрузок по ин­ дикатору веса от 29 до 31 тс вращающий момент в некоторых слу­ чаях может быть в пределах 93—242 кгс • м, а действительные осевые нагрузки при этом могут изменяться от 16,9 до 44 тс. Та­ ким образом, при незначительных колебаниях показаний индика­ тора веса действительная осевая нагрузка на долото может изме­ няться в значительных пределах, иногда превышая допустимые значения на долото.

Отсюда, с одной стороны, возникает требование к осуществле­ нию плавной подачи долота, в связи с чем исключаются перегрузка электробура и долота, заклинивание опоры долота и повышается продолжительность его работы, а следовательно, и производитель­ ность.

С другой стороны, возникает необходимость в повышении проч­ ности электробура, в частности подшипников шпинделя, и перегру­ зочной способности двигателя электробура.

При работе шарошечного долота по твердому забою возникают вибрации и соответствующие им динамические колебания осевой нагрузки и напряжений в различных участках низа бурильной колонны. Вопрос о вибрациях колонны и динамике осевой нагрузки в процессе бурения глубоких скважин изучен недостаточно. Име­ ется некоторый опыт проблемной лаборатории ВНИИБТ по буре­ нию на мантию земли, которой с помощью оригинального регист­ ратора были записаны осевые и крутильные колебания долота относительно керна, образованного колонковым долотом [67, 68]. В США также есть опыт по записи вибраций бурильной колонны автономным регистратором.

По замеру осевой нагрузки на забое имеются как теоретические работы [7], так и некоторый опыт [20].

При непосредственном участии автора — руководителя «лабо­ ратории технологии электробурения — в СКТБЭ проведены иссле­ дования динамики забойных осевых нагрузок и вибраций при бу­ рении электробуром. Для этой цели была создана телеметрическая система СТЭ-1И [83], с помощью которой можно получить данные о величине осевой нагрузки на забое и ее динамике, а также о ве­ личине амплитуды и частоте вибраций.

26

Система включает датчик осевой нагрузки, датчик вибраций, герметичный контейнер с электронным блоком, а также наземный пульт для приема и преобразования информации. Датчик осевой нагрузки основан на деформации суженного участка переводника, размещенного над электробуром; датчик вибраций основан на из­ мерении перемещений участка колонны над электробуром относи­ тельно сейсмической массы.

Наземными приборами записывались следующие данные.

2.Величина перемещений участка колонны над электробуром, на ленте осциллографа, движущейся со скоростью 0,25 м/с.

3.Величина мощности, забираемой электробуром, на ленте

осциллографа, движущейся со скоростью 0,25 м/с.

Осевые усилия, перемещения и мощность записывались на од­ ной ленте, что дает возможность проанализировать взаимосвязь изменений указанных параметров. Кроме того, обычными прибо­ рами записывались мощность, напряжение и ток в системе элект­ робура, а также нагрузка на крюке при скорости движения ленты 10 мм/мин.

Ниже приведены результаты исследований условий работы электробуров и комплектующего оборудования. Так как датчики осевых усилий и вибраций расположены непосредственно над электробуром, то можно считать, что измеренные усилия и вибра­ ции в верхней точке электробура относятся ко всему двигателю и также к части шпинделя, исключая вал шпинделя, который отделен от двигателя упругими элементами осевой опоры. Такое предполо­ жение необходимо сделать, поскольку источником возмущений яв­ ляется взаимодействие долота с забоем. Естественно, что ампли­ туда вибраций должна быть наибольшей у долота. В первую очередь вибрации гасятся в упругих подушках осевой опоры и за­ тем затухают по мере их распространения вверх, вдоль электро­ бура и колонны.

Вибрации и динамические нагрузки, измеряемые в верхней части электробура, достаточно полно характеризуют условия ра­ боты двигателя, статора, обмотки, ротора, подшипников, торцовых уплотнений и других элементов конструкции двигателя.

Для более полной оценки условий работы электробура необхо­ димо было провести исследования в породах различной крепости, с долотами разных типов, при различных скоростях вращения и осевых нагрузках, с различными компоновками низа колонны бу­ рильных труб и т. д. Исследования проводили при бурении в ан­ гидритах и средних породах свиты медистых песчаников (скв. 491 и 309) Шебелинского газового месторождения и при бурении турнейского горизонта (скв. 351) Сергеевской площади Уфимского УБР при скоростях вращения 165, 520 и 680 об/мин и осевых

27

нагрузках, изменяющихся от 0 до 22 тс с использованием УБТ и без них. При разных режимах бурения были зафиксированы вибрации и динамика осевой нагрузки.

28

записей, частота вибраций составляет 150—200 Гц при амплитуде до 0,2 мм.

Без применения УБТ вибрации колонны увеличиваются. Так, на рис. 4, г приведена запись вибраций бурильной колонны и ди­ намики осевой нагрузки при бурении скв. 351. Вибрации достигают 0,6 мм при частоте 18 Гц.

При использовании высокооборотного электробура Э170-8 (680 об/мин) и одном и том же уровне вибраций динамика осевой нагрузки в процессе бурения с использованием УБТ значительно большая, чем без них. Так, при амплитуде перемещений /і —0,5 мм при бурении без использования УБТ амплитуда колебаний осевой нагрузки составляет всего лишь 1—2 тс, а при бурении с использо­ ванием УБТ амплитуда составляет 3—21 тс.

При бурении редукторным электробуром (п = 165 об/мин) с ис­ пользованием УБТ и долота 190-К был проведен цикл исследова­ ний со ступенчатым повышением и понижением осевой нагрузки.

Характерная запись вибраций и осевой забойной нагрузки по­ казана на рис. 5, а. Частота перемещений почти во всем диапазоне осевой нагрузки составляет 40—46 Гц при амплитуде 0,2—0,4 мм, увеличивающейся с повышением осевой нагрузки. В этом режиме работы долота лебедка была заторможена и продолжалось буре­ ние с регистрацией величины забойной осевой нагрузки и вибра­ ций. Когда осевая нагрузка снизилась до 7 тс, возникли сильные вибрации с амплитудой перемещений 0,9 мм и частотой 4,5 Гц, при соответствующем периодическом изменении осевой нагрузки в пре­ делах 3—13 тс (рис. 5, г). В связи с плавными изменениями на­ грузки изменение мощности двигателя было незначительным. Это, видимо, можно объяснить резонансным раскачиванием низа ко­ лонны бурильных труб.

Нами рассмотрены различные случаи вибраций и динамики осевой нагрузки, которые наблюдались при различных режимах бурения в разных геологических условиях. Все возможные в раз­ личных условиях бурения режимы вибраций и динамики осевой нагрузки, конечно, еще не выявлены.

Для выяснения наиболее тяжелых условий работы электробура целесообразно рассмотреть аварийный режим его работы — буре­ ние после оставления двух шарошек долота (рис. 5, б) и разбури­ вание штыревым долотом двух оставленных шарошек (рис. 5, в).

29