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

ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОМЫВКИ ЗАБОЯ

Степень совершенства очистки забоя и долота определяется в основном следующими факторами: качеством бурового флюида; его количеством, подаваемым на единицу площади забоя в едини­ цу времени, q3; конструкцией промывочных устройств долота; ско­ ростью истечения бурового флюида из этих устройств ѵп- гидравли­ ческой мощностью флюида, срабатываемой на долоте 1ИДГ.

При прочих заданных условиях q3, ѵп и War определяются рас­ ходом бурового флюида Q. Расход бурового флюида является очень важным параметром режима бурения и зачастую имеет ре­ шающее значение при выборе осевой нагрузки на долото и скоро­ сти его вращения.

С увеличением скорости вращения шарошечного долота возрас­ тает турбулентность движения жидкости у забоя скважины, что улучшает отделение частиц породы от забоя и вынос их в коль­ цевое пространство. Но одновременно с этим уменьшается время, в течение которого долото поворачивается на угол, равный углу между осями шарошки, и некоторые частицы не будут успевать подниматься в кольцевое пространство: выбуренные одной шаро­ шкой, они будут захватываться, подминаться и перемалываться другой шарошкой. Было установлено [104], что при бурении двухили трехшарошечными долотами с я=100 об/мин в стендовых ус­ ловиях частицы породы, оторванные от забоя одной шарошкой, должны быть подняты выше набегающей шарошки за 0,2—0,3 с.

Следовательно, при бурении шарошечными долотами увеличе­ ние скорости вращения долота может не только не улучшить про­ мывку забоя, а , наоборот, ухудшить её. Повышение же Q при дан­ ной я позволит улучшить очистку забоя и долота от бурового шла­ ма. Что касается лопастных долот, то они приводят призабойную часть промывочной жидкости вместе со шламом во вращательное движение со скоростью, пропорциональной скорости вращения до­ лота. В результате с увеличением я возрастает взвешивающий эф­ фект указанной части промывочной жидкости и ускоряется вынос выбуренной породы в кольцевое пространство.

Вымывающее действие промывочной жидкости зависит от ско­ рости и характера движения ее у забоя, свойств этой жидкости, размера и формы удаляемых частиц горной породы и других фак­ торов. Результирующая вымывающая сила промывочной жидко­ сти, действующая на частицу, прямо пропорциональна удельному весу этой жидкости; она возрастает с увеличением скорости потока последней (почти прямо пропорционально квадрату скорости).

Однако с ростом удельного веса промывочной жидкости ухуд­ шаются условия разрушения горной породы и отделения продуктов разрушения от забоя. Это ухудшение обычно значительно сильнее, чем возрастание вымывающей силы промывочной жидкости с по­ вышением ее удельного веса. Поэтому огромную роль в промывке

20

забоя скважины играет скорость потока промывочной жидкости. Увеличения же скорости потока жидкости у забоя добиваются при­ менением нижней промывки с использованием промывочных от­ верстий уменьшенных диаметров.

Эксперименты показывают [69], что при введении в поток наг­ нетаемого в скважину воздуха некоторого количества воды проис­ ходит резкое увеличение механической скорости при разбуривании цементно-песчаного блока при атмосферном давлении. Одной из основных причин этого явления, по-видимому, послужило увеличе­ ние удельного веса воздушно-водяной смеси (почти в 5 раз) по сравнению с удельным весом чистого воздуха. Из этого факта можно заключить, что при определенных условиях применением какой-то жидкости для очистки забоя можно обеспечить более вы­ сокую механическую скорость проходки, чем при использовании воздуха или какого-либо газа.

Самым худшим состояниям промывки забоя соответствует об­ ласть под линией минимальных углублений. По данным Бингхэма, наклон указанной линии в 3—12 раз меньше наклона, рабочей ли­ нии в зависимости от геометрии рабочей поверхности долота, свойств горной породы и промывочной жидкости. Для раство­ ров на водной основе соотношение между тангенсами угла на­ клона рассматриваемых линий колеблется в пределах от 3 : 1 до 6:1, для растворов на нефтяной основе оно достигает иногда 12:1. Изменение соотношения между наклонами рабочей линии и линии минимальных углублений указывает на существенные изменения процесса механического бурения.

Если показатели бурения соответствуют области неудовлетво­ рительной очистки забоя, то обычно не удается сколько-нибудь заметно изменить углубление скважины за один оборот долота Sj при изменении свойств глинистого раствора даже в широком диа­ пазоне, и трудно получить существенное повышение механической скорости при увеличении гидравлической силы этого раствора, дей­ ствующей на забой. Тем не менее, существуют, по-видимому, ка­ кие-то свойства промывочной жидкости, изменение которых при­ вело бы к повышению величины Si в указанных условиях.

Очистная способность промывочной жидкости в большей ме­ ре зависит от подвижности последней, т. е. от ее вязкости и дина­ мического напряжения сдвига. Она возрастает при уменьшении указанных параметров, главным образом при уменьшении первого из них. Более подвижные промывочные жидкости лучше омывают забой скважины, рабочие элементы долота и его шарошки и бы­ стрее выносят выбуренные частицы породы в кольцевое простран­ ство, эффективнее охлаждают долото.

Положительно влияет на процесс разрушения горных пород, особенно высокопроницамых, повышение водоотдачи глинистого раствора. Прямое влияние сказывается в том, что фильтрат быстро проникает в породу, повышая давление в ее порах и снижая ее прочность, а также под частицы разрушенной породы и в трещины

21

между ними, уменьшая силу, прижимающую их к забою. Косвен­ ное влияние заключается в том, что при повышении водоотдачи глинистого раствора обычно уменьшается его вязкость и повышает­ ся подвижность. При небольшой водоотдаче глинистого раствора трещины между частицами разрушенной породы очень быстро гли­ низируются со всеми сопровождающими это явление отрицатель­ ными последствиями.

С. А. Оганов, анализируя работу долот в турбинном бурении, привел данные [62], из которых видно, что при использовании нор­ мальных (химически необработанных) глинистых растворов пока­ затели работы долот выше, чем при использовании химически об­ работанных растворов (имевших повышенные вязкость и липко­ сть и меньшую водоотдачу): в сураханской свите средняя механи­ ческая скорость ѵс оказалась выше в 1,65—2,4 раза и средняя про­ ходка на долото в 1,39—2,86 раза, в сабунчинской свите — соответ­ ственно в 1,12 раза и в 1,05—2,4 раза, хотя удельный вес химиче­ ски необработанного глинистого раствора был несколько выше.

По данным В. П. Мациевского [54], проанализировавшего дан­ ные работы долот на семи площадях Днепровско-Донецкой впа­ дины, наилучшие показатели работы долот получены при примене­ нии маловязких растворов и растворов с высокой водоотдачей, причем увеличение водоотдачи глинистого раствора более эффек­ тивно при больших скоростях вращения долота (при повышенных скоростях разрушения горной породы). Максимальный темп паде­ ния проходки на долото и ѵс при увеличении вязкости глинистого раствора приходится на диапазон изменения ее от 20—30 до 60— 70 с по СПВ-5. С увеличением вязкости раствора более интенсивно понижаются ѵс и проходка на долото при турбинном бурении.

По свидетельству зарубежных авторов в Западном Техасе при использовании глинистых растворов с низкой водоотдачей и высо­ кой вязкостью механическая скорость оказывается на 60—70% ни­ же, чем при бурении с промывкой водой, когда она составляет в среднем 3 м/ч.

При снижении водоотдачи глинистого раствора с 13,4 до 2,4 см3 путем обработки раствора крахмалом механическая скорость при бурении скважин на побережье Мексиканского залива падала приблизительно на 20% [45].

Эффективность очистки забоя и долота зависит от способности промывочной жидкости предотвращать слипание шлама и наматы­ вание сальника на долоте. Эта способность достигается, например, вводом в глинистый раствор тех или иных веществ — нефти, нефте­ продуктов и др. Так, по данным «Мин Гранд Ойл Компании», при переходе в двух скважинах на глубине 2135 м с промывки глини­ стым раствором на промывку нефтеэмульсионным раствором ско­ рость бурения увеличилась в одной скважине на 36% и в другой на 23%; при этом проходка на долото увеличилась на 17,7% и на 30% соответственно. Это увеличение указанных показателей было получено при бурении в ниже находящемся интервале в противо­

22

положность обычному положению, когда скорость проходки почти постоянно уменьшается по мере углубления скважины.

При бурении скважин в Западном Техасе 15%-ная добавка неф­ ти в известково-глинистый раствор способствовала росту механи­ ческой скорости проходки на 150% (разбуривались глины миоцено­ вого возраста) [45].

Наилучшие результаты нефтеэмульсионные глинистые раство­ ры дают при бурении в глинах и глинистых сланцах, где примене­ ние таких растворов может способствовать росту механической ско­ рости проходки в 2—2,5 и большее число раз.

Повышение показателей работы долот при вводе в глинистый раствор нефти и нефтепродуктов объясняется не только улучшени­ ем его смазывающих свойств и снижением липкости его глинистой фазы. Этому способствует также ранняя турбулизация потока гли­ нистого раствора [56], улучшающая вымывающую и выносную спо­ собности последнего при прочих одинаковых условиях.

Существуют оптимальные значения добавок нефти и нефтепро­ дуктов в глинистые растворы, превышение которых не дает су­ щественного увеличения механической скорости проходки. Для ус­ ловий бурения треста Калмнефтегазразведка такие значения сос­ тавляют 7—9%; механическая скорость проходки линейно растет при увеличении содержания нефти в глинистом растворе до указан­ ных величин, а при дальнейшем увеличении содержания нефти темп прироста этой скорости резко снижается, и при содержании нефти в растворе 11 —12% механическая скорость проходки стаби­ лизуется [56].

, При бурении скважин на побережье Мексиканского залива ме­ ханическая скорость проходки глинистых пород увеличивается с повышением содержания нефти в известково-глинистом растворе до 15—20%, при этом значительно сокращается сальникообразование [45]. В процессе лабораторных экспериментов механическая ско­ рость была максимальной при добавке 15% нефти, но сальнико­ образование продолжало уменьшаться при повышении содержания нефти в растворе. При добавках нефти 5 и 10%, так же как и при отсутствии нефти в растворе, сетка фильтра для улавливания вы­ буренной породы оказывалась покрытой толстым слоем глинистой пасты, которую трудно было удалять. При 15%-ной добавке неф­ ти частицы глины падали на дно контейнера и сетка была чистой, а при добавке нефти 25% глина оседала и на сетке, но не прили­ пала к ней и легко удалялась.

При проходке глин и вязких глинистых пород крайне необходи­ мо направлять струи промывочной жидкости на шарошки с целью обмыва их от шлама и предотвращения наружного заклинивания шарошек [12,13]. Однако при этом до 80% жидкости, истекающей из промывочных устройств долота, не достигает забоя скважины, а отражаясь от шарошек, поднимается сразу вверх. Это весьма отрицательно сказывается на степени очистки забоя от выбурен­ ной породы и приводит к перемалыванию последней. Кроме того,

23

направленные на шарошки струи промывочной жидкости, содер­ жащей абразивные частицы, могут вызывать эрозионный износ тела и зубьев шарошек.

При бурении в других породах надобность в таком способе об­ мыва шарошек обычно отпадает, и высокоскоростные струи про­ мывочной жидкости могут направляться непосредственно на забой, минуя шарошки. В таком случае почти вся промывочная жидкость, истекающая из промывочных устройств долота, будет достигать забоя и улучшать процесс разрушения породы и отделение продук­ тов разрушения от массива. Шарошки будут поддерживаться в чис­ том состоянии в результате большой турбулентности движения жидкости в призабойной зоне.

Забой скважины имеет «ухабистую» поверхность и обычно по­ крыт слоем-подушкой из высокопластичной и сильновязкой массы, включающей частицы выбуренной породы и твердой фазы промы­ вочной жидкости. Для разрушения этой подушки и удаления буро­ вого шлама из ямок в забое струи промывочной жидкости должны достигать забоя и создавать на него давление рс3 порядка 4—6 кгс/ см2. Для этого выход промывочных отверстий должен быть рас­ положен от забоя не дальше определенного расстояния.

Приближение выхода промывочных отверстий к забою ведет к снижению износа долота и увеличению проходки на долото. Наи­ меньший износ долота и наивысшее значение проходки на долото отмечаются в тех случаях, когда выход промывочных отверстий приближен к забою на расстояние, равное пяти-шести их диамет­ рам. У лопастных долот, кроме того, промывочные отверстия долж­ ны располагаться таким образом, чтобы поток жидкости выходил с опережением лезвий на 30—35 мм (зарубежные гидромониторные лопастные долота выпускаются с промывочными устройствами, ось насадок которых обычно отклонена от вертикали на 1,5° по ходу вращения долота).

Эксперименты [104] показали, что для полной очистки забоя от выбуренной породы при направлении потока промывочной жидко­ сти в зону разрушения породы под каждую из шарошек трехшаро­ шечного долота требовался почти в 3 раза меньший расход про­ мывочной жидкости, чем при использовании обычных гидромони­ торных долот.

При разработке режимов бурения гидромониторными долотами в породах средней твердости следует исходить из максимума силы удара струй, а в мягких породах — из максимума гидравлической мощности и^дг, срабатываемой на долоте (сила удара струй пря­ мо пропорциональна произведению Qvu, а мощность WRV прямо пропорциональна Qu2).

Минимальные значения ѵа для гидромониторных долот находят­ ся в пределах 60—75 м/с. При скоростях истечения ниже указан­ ных эффективность этих долот может оказаться ниже эффектив­ ности обычных долот. Увеличение скорости истечения промывочной

24

жидкости у обычных шарошечных долот приводит к заметному воз­ растанию ѵм и проходки на долото лишь при £>„>50—60 м/с.

Влияние ѵ„ на им существенно только при определенных зна­ чениях мощности Wдг. При низких значениях этой мощности очи­ стка забоя сильно ухудшается и рост ѵп мало влияет на механиче­ скую скорость проходки. При превышении некоторых значений мощности WJir дальнейшее ее увеличение и увеличение ѵа не сопро­ вождается заметным улучшением показателей работы долот.

Значительное повышение показателей работы шарошечных и лопастных долот при увеличении Q наблюдается до тех пор, пока

При бурении алмазными долотами несоблюдение правильного соотношения между G, п и Q может привести к прижогу алмазов или к быстрому их затуплению.

Увеличение удельной гидравлической мощности, срабатываемой

щадей привело к росту механической скорости на 50% [ПО]. Для компенсации возросшей гидравлической силы, отталкивающей долото от забоя, одновременно с увеличением указанной мощности требуется соответствующее повышение осевой нагрузки на долото.

ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ ПРИ РАБОТЕ ДОЛОТА НА ЗАБОЕ

Опыт бурения скважин показывает, что при переходе от тяже­ лого раствора к неутяжеленному или от пеутяжеленного к воде, при переходе от воды к газу или к воздуху показатели работы до­ лот обычно значительно возрастают. Это объясняется тем, что при таком переходе уменьшается удельный вес промывочного агента и изменяются другие его параметры в сторону улучшения процес­ са разрушения горной породы долотом и промывки забоя от шла­ ма. И наоборот, показатели работы долот обычно значительно сни­ жаются при переходе на промывку более тяжелым промывочным агентом. Так, по данным об отработке долот в 81 скважине, пробу­ ренной трестом Пермнефтеразведка, получена следующая формула зависимости средней механической скорости проходки ѵс от удель­ ного веса промывочной жидкости уж [53];

По данным Л. П. Стояновского, для условий бурения скважин в Западной Туркмении связь между ѵс и уж может быть выражена следующим уравнением;

25

где G — осевая нагрузка на долото; т, х и г — величины, имеющие определенные значения для конкретных условий.

С целью снижения до минимума отрицательного действия дав­ ления промывочной жидкости на процесс разрушения породы не­ обходимо использовать промывочные агенты минимально возмож­ ного для данных условий удельного веса.

Значительное влияние на механическую скорость проходки диф­

трат и чем выше их физико-химическое сродство с горной породой, тем меньше влияние ра на процесс разрушения последней при бу­ рении. Это объясняется тем, что в таком случае промывочная жид­ кость или ее фильтрат быстрее проникают в слой породы, подвер­ гающийся разрушению, и повышают поровое давление в этом слое, тем самым снижая фактическое значение дифференциаль­ ного давления. Подвижность флюида выражается величиной об­ ратной его вязкости [101].

Специально поставленные эксперименты показали [104], что очи­ стная способность флюида зависит главным образом от его вязко­ сти и значительно меньше от удельного веса. Действительно (табл. 3), очистная способность нефти почти в 2 раза ниже, чем воды, хотя удельные веса этих жидкостей разнятся значительно меньше; низкая очистная способность нефти обусловливается ее вы­ сокой вязкостью.

т

Утяжеленный баритом глинистый раствор обладает значитель­ но более высоким удельным весом, однако очистная способность его также ниже, чем воды, что объясняется его более высокой вяз­ костью по сравнению с вязкостью воды.

По-видимому, некоторое влияние на очистную способность про­ мывочной жидкости оказывает напряжение сдвига. Так, вязкость

2) общее влияние свойств промывочной жидкости и гидравли­ ки промывки на механическую скорость проходки может быть вы­ ражено через число Рейнольдса;

3) при данной кинетической вязкости промывочной жидкости механическая скорость проходки не зависит ни от содержания твердой фазы в этой жидкости, ни от водоотдачи последней.

Известную формулу для механической скорости проходки [18]

согласно предложению Экеля, можно записать следующим обра­ зом:

где Re — число Рейнольдса для потока промывочной жидкости в промывочном канале долота. Так как Re обратно пропорциональ­ но кинетической вязкости жидкости ѵ, то получаем

Таким образом, сказанное выше о влиянии вязкости и напря­ жения сдвига промывочной жидкости на механическую скорость

27

проходки позволяет сделать вывод о том, что с точки зрения рабо­ ты долота на забое следует применять промывочные жидкости, имеющие как можно меньшие вязкость и напряжение сдвига.

Что же касается выводов Экеля о том, что при данной ѵ меха­ ническая скорость не зависит от водоотдачи промывочной жидко­ сти, то надо иметь в виду, что он проводил эксперименты при раз­ буривании известняков низкой проницаемости (около 10 мД). Для горных же пород большей проницаемости механическая скорость обычно возрастает при использовании промывочных жидкостей с увеличенной водоотдачей, о чем говорят, например, приведенные выше производственные данные, а также данные лабораторных ис­ следований. Поэтому можно сделать вывод о том, что для повы­ шения механической скорости проходки, особенно в высокопрони­ цаемых горных породах, следует применять промывочные жидко­ сти с максимально возможной водоотдачей.

Тип твердой фазы и ее количество в промывочной жидкости влияют на вязкость этой жидкости, а вязкость, в свою очередь, оказывает влияние на механическую скорость. При данной жидкой фазе увеличение содержания твердой фазы в промывочной жидко­ сти повышает вязкость последней, а следовательно, должно отри­ цательно сказываться на механической скорости проходки, что обычно и наблюдается в практике бурения скважин.

Твердая фаза промывочной жидкости отрицательно влияет на механическую скорость, а также на другие показатели работы до­ лот не только посредством вязкости, но и другими путями. В част­ ности, она обычно сокращает срок службы долота, ускоряя изна­ шивание его вооружения, опор и промывочных устройств.

Так, исследования работы шарикоподшипников в промывоч­ ных жидкостях из бентонитовой глины показали [66], что повыше­ ние содержания этой глины в растворе приводит к более быстрому износу подшипников. Особенно резко возрастает износ подшипни­ ков при работе в растворе, утяжеленном гематитом.

Следовательно для повышения показателей работы долот необ­ ходимо применять промывочные жидкости с наименьшим содержа­ нием в них твердой фазы. Присутствие в промывочных жидкостях абразивных частиц песка и выбуренной породы в количествах 4—■ 5% и более в несколько раз ускоряет изнашивание подшипников по сравнению с их изнашиванием в неутяжеленных глинистых ра­ створах, свободных от указанных частиц.

Такие частицы резко повышают скорость изнашивания других элементов долота. Поэтому их содержание в промывочной жид­ кости, подаваемой па забой, не должно превышать, по крайней мере, 0,5—1%.

Работоспособность опор и вооружения долот во многом оп­ ределяется смазывающими, охлаждающими и корродирующими свойствами промывочной жидкости [18]. Необходимо стремиться к тому, чтобы смазывающие и охлаждающие свойства промывочной жидкости полностью удовлетворяли конкретным условиям работы

28

долота, а ее корродирующее действие должно снижаться до мини­ мума. В практике бурения скважин указанные вопросы решаются

введением в промывочные жидкости различных специальных доба­ вок [18, 22].

Отрицательно сказывается на показателях работы долот сальникообразование [12,13,14]; поэтому промывочная жидкость не

должна допускать слипания бурового шлама и образования саль­ ника на долоте.

Итак, при работе долота на забое промывочная жидкость дол­ жна удовлетворять следующим требованиям:

1)иметь минимально возможный удельный вес;

2)ооладать минимально возможной кинетической вязкостью

при скоростях сдвига, имеющих место в промывочных каналах до­ лота;

3)иметь высокую водоотдачу;

4)содержать как можно меньше твердой фазы (при возмож­ ности не иметь этой фазы совсем);

5)быть свободной от песка и выбуренных частиц породы;

6)обладать высокими смазывающими свойствами;

7)иметь хорошие охлаждающие свойства;

Некоторые из этих требований находятся в противоречии с тре­ бованиями, предъявляемыми к промывочным жидкостям с пози­ ций других функций, выполняемых этими жидкостями, — транспор­ тирование бурового шлама на дневную поверхность, предотвра­ щение и ликвидация осложнений и аварий. При окончательном выборе вида промывочной жидкости и ее свойств необходимо учи­ тывать эти требования. Однако всегда следует брать во внимание перечисленные выше требования и удовлетворять их как можно полнее, так как от показателей работы долот в большой мере зависят технико-экономические показатели бурения скважин

[19, 20, 21].

Промывочная жидкость в процессе разрушения горных пород может выполнять не только вспомогательные функции (очистка забоя и долота от выбуренной ‘породы, смазывание и охлаждение долота и др.), но и активно участвовать в этих процессах как пу­ тем механического воздействия на породу струями, так и путем понижения твердости породы в результате физико-химического взаимодействия с пей.

О влиянии среды на механические свойства твердых тел, на процесс разрушения горных пород известно давно. Однако до ра­ бот, проведенных в нашей стране под руководством акад. П. А. Ре­ биндера, механизм действия среды на механические свойства твер­ дых тел в процессах их деформации и разрушения не был известен.

Работы П. А. Ребиндера и его сотрудников показали, что ме­ ханические свойства твердых тел в процессах их деформации и

29