книги из ГПНТБ / Промывка при бурении, креплении и цементировании скважин

шее значение коэффициента 6Т, характеризующего динамичность турбины турбобура [89]

ее«оборотность».

Сдругой стороны,

kndly.MQa

(IV.29)

12Og

где.dp средний (расчетный) диаметр турбины; о — степень циркулятивности турбины (как правило, у современных турбин тур­ бобуров а= 1); g — ускорение свободного падения.

Следовательно, величина Ьт прямо пропорциональна среднему диаметру турбины в квадрате; поэтому необходимо использовать долота и турбобуры возможно близких диаметров, т. е. при буре­ нии долотом определенного диаметра применять турбобур с воз­ можно большим средним диаметром турбины и, наоборот, при использовании данного турбобура бурить долотами возможно меньшего диаметра.

Выбрав турбину по диаметру и зная величину ее параметра Лр1, по формуле (IV.27) находят потребное число ступеней для удов­ летворения указанного условия.

Если расчетное число ступеней окажется больше, чем в турбине серийного турбобура, то возможно применение секционного турбо­ бура. Если же будет отмечаться обратное соотношение, то можно будет «лишние» ступени удалить и вместо них поставить распор­ ные втулки (наподобие промежуточных опор); в этом случае по­ дучается турбобур с уменьшенным числом ступеней [12, 13].

Изменением числа ступеней в турбине можно изменять техни­ ческую характеристику турбобура при Q= const.

В турбинном бурении параметры режима бурения находятся в определенной связи друг с другом, а также с параметрическими коэффициентами турбобура и его состоянием, физико-механически­ ми свойствами проходимых пород, типоразмером и состоянием долота и др. [11]. При изменении одного из этих факторов нару­ шается гармоничное соотношение между параметрами режима бурения, а поэтому требуется изменять и другие факторы. Буро­ вики же в своей практической работе нередко не учитывают это обстоятельство и форсируют режим бурения лишь увеличением расхода промывочной жидкости без соответствующего повышения осевой нагрузки на долото или изменения типа или модели долота.

121

В правильном выборе тшюмоделей долот и турбобуров и рас­ хода промывочной жидкости применительно к данным горным по­ родам заключены крупные резервы повышения технико-экономиче­ ских показателей турбинного бурения [21].

В то же время, с учетом технологических условий, зависимость Чі В функции Q описывается уравнением (1.1) или (1.2).

Из рис. 30 на котором нанесены кривые, построенные по завиимостям (1.1) и (ІѴ.ЗО), видно, что до точки пересечения этих кривых максимальная механическая скорость проходки опреде­ ляется развиваемой на долоте мощностью, а после указанной точ­ ки-совершенством промывки скважины. При Q= QK, соответст­ вующей точке пересечения кривых, совершенство промывки сква­

жины точно совпадает с энергетическими возможностями турбо­ бура.

Г. И. Булах считает [30], что для точного ответа на вопрос соот­

приолиженной оценки состояния турбинного бурения он пришел к выводу, что промывка скважины не ограничивает технические воз­ можности турбобура, т. е. бурение ведется при Q <Q h, Однако он отмечает, что в верхних интервалах, когда бурение ведется на фор­ сированных режимах, возможно, величина Q больше QK. Указан­ ный случай возможен также, например, когда отмечаются осыпи

122

горной породы со стенок скважины. Чтобы повысить эффектив­ ность использования гидравлической мощности при бурении в та­ ких условиях, необходимо вести проходку при оптимальном ре­ жиме раооты турбобура, по обеспечивая при этом хорошую очистку забоя и ствола скважины.

Одним из методов достижения соответствия между технологи­ ческими и энергетическими возможностями является некоторое снижение мощности турбобура пли за счет уменьшения числа сту­ пеней в турбине, или за счет перепуска части промывочной жидко­ сти через вал турбобура [12, 13]. В последнем случае регулирова­ ние расхода жидкости осуществляется посредством штуцера, уста­ навливаемого в полом валу турбобура.

При использовании турбобура с полым валом общая подача промывочной жидкости Q частично (QrT) проходит через ступени турбины, а остальная часть (QB) — через вал турбобура

распределении потоков промывочной жидкости в турбобуре, а сле­ довательно, и на показателях его работы, то представляет интерес рассмотреть зависимости мощности WT, момента Л4Т, перепада давлений рт и числа оборотов ят турбины непосредственно от dlu. Эти зависимости представлены на рис. 31 при Q= 70 л/с для тур­ бины турбобура Т12МЗ-10". При расчетах использовалась зависи­ мость (IV.32) и общеизвестные формулы [89]. Значения Q(T, WT, Мт, рт и пт при различных dm на графиках рис. 31 выражены в

процентах от значений при Qct= Q-

При Q= 70 л/с и <7Ш= 20—25 мм расход жидкости через рас­ сматриваемую турбину составляет примерно 44—57 л/с, т. е. имеет такие значения, которые обычно применяются при бурении ука­ занными турбобурами. Поэтому будут отмечаться и такие же зна­ чения «т, 1ѴТ и Мт, но условия промывки забоя и ствола скважины

ными для обеспечения эффективного процесса разрушения горных пород. Как видно из рис. 31, уже при <іш = 25 мм при рассматри­ ваемых условиях эффективная мощность турбины WT составляет лишь около 25% от мощности при отсутствии штуцера, т. е. при

123

Q c t = Q ; вращающий момент Мт (и перепад на турбине рт) — около 40% и скорость вращения турбины — около 63%.

По мере углубления скважины при Q= const и QCT = const будет

т. е. при полном соответствии условий промывки при данной Q возможностям турбобура при данной QCT, необходимо по мереуглубления скважины при данном давлении нагнетания насосов снижать Q и Q0T согласно выражению (ІѴ.ЗЗ).

Величина диаметра штуцера dm при данных значениях Q и QCT> определяется по формуле

С другой стороны [79, 89].

124

тате чего последние не дорабатывались из-за вынужденного преж­ девременного их подъема.

В рассматриваемой конструкции турбобура более надежным следует считать быстросменный штуцер, устанавливаемый и извле­ каемый на поверхность независимо от спуско-подъемных операций. Для этого необходимо штуцерную камеру с абразивно-устойчивой насадкой связать с трубой типа колонковой, располагаемой внутри вала турбобура. В этом случае весьма удобно спускать камеру после допуска инструмента на забой. Последнее позволит избегать засорения турбины шламом, поскольку раствор со взвешенными частицами сможет свободно проходить в трубы при спуске и вы-

125-

ходить из них через вал, таким образом практически минуя т\р- бину. Штуцерная камера при необходимости может быть поднята в любое время на поверхность, как это делается при подъеме грунтоноски. Вполне понятно, что хорошая очистка раствора, за­ качиваемого в скважину, и установка износостойких штуцеров по­ зволит значительно увеличить продолжительность работы турбо­ буров с полым валом.

На рис. 32 показана одна из возможных схем установки шту­ цера с использованием стандартной головки от груптопоскп и стандартных керамических штуцеров с уплотнительными резино­ выми кольцами.

Большой эффект от применения турбобуров с полым валом сле­ дует ожидать при расширении ствола скважины. Загрузить обыч­ ный турбобур в таком случае очень трудно. К тому же требуется очень хорошая очистка кольцевого уступа, поскольку частицы шла­ ма .могут быть больших размеров. Применение турбобура с полым

ВЫБОР РАЗМЕРА НАСАДОК И ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА БУРЕНИЯ

ГИДРОМОНИТОРНЫМИ ДОЛОТАМИ

Как отмечалось в главе I, эффективность работы гидромони­ торных долот в значительной степени зависит от подачи промывоч­ ной жидкости Q и скорости истечения этой жидкости из насадок долота ии. При прочих заданных условиях эти факторы связаны между собой посредством площади поперечного сечения каналов насадок /0 или диаметра насадок d0 и их количества е0 согласно уравнению (1.21).

Подача промывочной жидкости для создания на забое скважи­ ны давления струи рс3 определенной величины находится по фор­ муле (1.19). Если преследовать цель разрушать горную породу струями промывочной жидкости, то давление рся должно состав­ лять (по данным А. В. Зубарева) не менее (0,1—0,15) оСж при отсутствии противодавления на забой скважины и не менее (0,25— 0,35) Осж в условиях ствола скважины (асж — прочность горной по­ роды на сжатие, определенная при нормальных условиях).

Для того чтобы при заданном давлении нагнетания рпу гидрав­ лическая мощность \Едг на долоте имела максимальное значение, необходимо иметь Q= Q0, определяемую по формуле (IV. 10). В этом случае перепад давления на долоте составляет около 67% от рПу, т. е.

■и

рц = Тж ( Ьц + a nL T) Q2 = Y Р„у = Рд- (IV.36)

126

Подставляя значение Qo в уравнение (IV. 19), а последнее в-

Если исходить из условия получения максимальной силы удара струй о забои скважины при заданном давлении нагнетания рпу,

то выражение для определения подачи промывочной жидкости будет иметь вид

а формула для /о запишется следующим образом:

Расход промывочной жидкости и /о из условия обеспечения мак­ симальной силы удара струй при полном использовании мощно­ сти насосной установки определяются по формулам:

127

а это значит, что рассматриваемое условие может быть выполнено лишь в случае, когда ЬЛ= Ь' = a l(LT= 0. Очевидно, условие (IV.46)

не выполнимо в практике бурения скважин, так как всегда 6Д>О, ■6Ц> 0 и a„LT>0, но оно указывает па то, что из условия дости­

жения максимальной гидравлической мощности на долоте при заданной мощности насосной установки необходимо стремиться вести бурение при наименее возможных значениях указанных коэф­ фициентов и при Q, стремящейся к нулю, а следовательно, при стремящемся к бесконечности. Однако подача промывочной жид­ кости не может быть меньше Qmm (технологическое условие, опи­ сываемое выражением (IV.15)), а давление нагнетания не может превышать ртЛ\, обусловленное прочностью насосов или манифоль­ да. Подставим указанное значение Q в уравнение (IV.44) с учетом равенства (IV.14);

сти следует применять преимущественно при разбуривании мягких горных пород, а режим максимальной силы удара струи — при проходке пород средней твердости. Применение того или иного гидравлического режима работы гидромониторных долот зависит также от потерь давления в циркуляционной системе буровой, а значит, от глубины бурения.

Поддержание режима, при котором в долоте перерабатывается определенная часть давления нагнетания (75% или 67%), возмож­ но только до некоторой глубины бурения, при которой подача промывочной жидкости снизится до Qmm. При дальнейшем углуб­ лении скважины придется увеличить пропускную способность на­ садок долота, а следовательно, снижать долю перепада давления на долоте в величине давления нагнетания насосов. И если буре­ ние велось в режиме максимальной забойной мощности, то посте­ пенно будет осуществляться переход на режим максимальной силы удара струй, а затем, возможно, придется отказаться от гидромо­ ниторных долот и перейти на использование обычных долот.

128

Предельная глубина бурения Z.Iip при том или ином условии определится путем решения соответствующего уравнения относи­ тельно LT и прибавления к L"p длины утяжеленного низа /у„. Так,

например, воспользовавшись уравнением (IV.42), получим формулу для определения предельной глубины бурения из условия обеспе­ чения максимальной силы удара струй промывочной жидкости при полном использовании мощности насосной установки буровой:

(IV.51)

Разумеется, формула (IV.5I) справедлива только в случае, если /о выбрана таким образом, что удовлетворяется условие (IV.43).

Гидравлический расчет для выбора диаметра насадок и режима работы гидромониторных долот осуществляется поинтервально с учетом высказанных выше рекомендаций, в том числе рекоменда­ ций о выборе количества интервалов и их длины при проектиро­ вании режимов турбинного бурения.

Изложенные выше принципы гидравлических расчетов, связан­ ных .с использованием гидромониторных долот, справедливы и в случае бурения электробурами; только в соответствующих форму­

применения гидромониторных долот сводится к нулю вследствие наличия больших утечек промывочной жидкости через ниппель [8 8 ].

При выбранном значении Q, обязательно удовлетворяющем ус­

Предельная глубина бурения при выбранных размерах насадок выразится следующим образом:

ВЛИЯНИЕ УШИРЕНИЯ СТВОЛА СКВАЖИНЫ НА ЗАГРУЗКУ БУРОВЫХ НАСОСОВ

В процессе проводки скважин в интервалах с неустойчивыми породами, как правило, образуются уширения в виде каверн раз­ личной конфигурации и желобов. Величина коэффициента ушире­ ния &е, характеризующая отношение фактической площади сечения скважины к теоретической, определенной по диаметру долота, из­

Поскольку для обеспечения высококачественной промывки ство­ ла скважины необходимо поддерживать определенную величину скорости восходящего потока ѵп независимо от величины k(,, то представляет практический интерес оценить влияние последней на загрузку насосов.

Для анализа возьмем случай, когда уширение отсутствует, и другой случай, когда оно есть, и величина его определяется значе­ нием kc. Для сохранения постоянства величины ѵп в обоих случаях

кольцевого пространства для этих случаев; ß — то же, что и в фор­ муле (11.65).

Для рассматриваемых случаев применительно к роторному бу­

где атз И — коэффициенты, учитывающие потери давления со­ ответственно в колонне бурильных труб (в трубах — ат и в буриль­ ных замках — а3) и в кольцевом пространстве за этой колонной [89].

Выразив в уравнении (IV.56) Q2 через Qi и вычтя из получен­ ного выражения уравнение (IV.55), получим

130