книги / Нефтегазовое дело. Полный курс

вышении в ней определенного давления р с> ргр. П ри нагнетании в сква­ жину жидкости с постоянным расходом происходит разры в пласта, со­

зультате силового гидростатического воздействия на стенки скваж ины бурового раствора в первую очередь растягиваю щ ими могут стать тан ­ генциальные напряж ения. В таком случае возникаю т вертикальные гид­ равлические разры вы горной породы: 1 — на участке вертикального ствола скважины; 2 — на участке горизонтального ствола скваж ины (рис. 5.19). Это явление происходит, когда реализуется следую щ ее ус­ ловие: а0> £7р. Ч ащ е всего первичны е гидравлические разры вы проис­ ходят в радиальных плоскостях, проходящ их через ось скважины .

Для п редупреж дения вертикального гидравлического разры ва и возникновения в процессе бурения вертикальны х трещ ин необходимо,

При регулировании давлен ия в скваж ине посредством изменения плотности промывочной ж идкости условие предупреж дения верти каль ­ ного гидравлического разры ва пород (5.27) принимает следую щ ий вид:

где Др — величина технологического колебания давления в скваж и н е После образования вертикальны х трещ ин и ф иксации их раскры ­ тия буровым раствором боковое (горизонтальное) горное давление в прискважинной зоне увеличивается. После того как оно сравняется с полным (геостатическим) горным давлением или превзойдет его (глав­

нов вертикальное напряж ение станет минимальным), гидравлический разры в мож ет происходить за счет образования горизонтальных дис­ кообразных трещ ин.

Рис. 5Л9. Схемы образования трещин гидравлического разрыва в массиве горных пород на вертикальном участке ствола скважины J, 2 ина горизонтальном участке ствола скважины 3, 4:

1 — вертикальная трещина; 2— горизонтальная дискообразная трещщ; 3 — вертикальная дискообразная трещина; 4 — вертикальная трещи:-

В естественны х условиях в породе им ею тся системы мелких тре­ щин, закры ты х горным давлением , которы е после снятия или компен­ сации горного давления раскры ваю тся. Л ю бая из сущ ествую щ их в гор­ ной породе горизонтальны х трещ ин 2 так ж е м ож ет служ ить началом трещ ины гидравлического р азр ы в а (см. рис. 5.19), если давление бу­ рового раствора в скваж ине превы сит некоторую критическую вели­ чину.

Расчет на прочность, предлагаем ы й механикой хрупкого разруше­ ния, вклю чает в себя три момента:

• определение разм ера и полож ения опасной трещ ины;

• определение ко эф ф и ц и ен та интенсивности н ап ряж ен и й К, на фронте трещ ины с учетом напряж ений технологического и эксп­ луатационного происхож дения;

•выбор критерия локального разруш ен и я К 1С на ф ронте трещ ины и отыскание предельного состояния, которое соответствует началу гидравлического разры ва горной породы. Д ля хрупких горных по­ род критические зн ачен и я коэф ф и ц иента интенсивности н ап ря ­ жений К 1Г имею т зн ачен и я (0,3— 3,5) ■10fi Н /м 15, д л я м еталлов — (15— 180) ■10(î Н /м 1"’.

С дймлщыр назван и еiTAf тр ех п ол ож ен и й м ех ан и ки хруп кого р а з ­ рушения получено вы р аж ен и е д л я оп ред елен и я давл ен и я в с к в а ж и ­ не, при котором во зн и кает ги д равли чески й р азр ы в за счет р азви ти я горизонтальной дискообразной т р е щ и н ы с известны м радиусом а (рис. 5.20):

где рг — горное давление на глубине располож ения трещ ины , опреде­ ляемое зависимостью (2.14).

Рис. 5.20. Развитие горизонтальной дискооб­ разной трещины в горной породе за счет гид­ равлического разрыва

Здесь предполагается, что давление бурового раствора сим м етрич­ ноприложено к верхней и нижней стенкам трещ ины, постоянно по длине трещины и равно д авл ен и е раствора в скваж ине.

Из (5.29) следует, что давление горизонтального гидравлического разрыва пород рс = р гр превы ш ает местное горное давление на некото­ рую величину, зависящ ую от разм ера трещ ин и прочностных свойств пород. Для больш их глубин залегания и трещ ин большой протяж енно­ сти вклад второго слагаемого в общее разры ваю щ ее давление невелик.

Реш ение (5.29) справедливо для случая гидравлического разрыва, ког­ да скважина подсекает отдельную горизонтальную тр е щ и н у . В резуль­ тате гидроразрыва трещ ины увеличивают свою протяженность, разрас­ таются, увеличивают свое раскрытие и соединяются друг с другом.

П ромывка забоя скваж ины при вращ ательном бурении яв­ л яется обязательны м технологическим процессом. Она предназначена для очистки забоя от осколков выбуренной горной породы, охлаждения элементов долота и содействия разруш ению горных пород за счет гид­ родинамического воздействия струи ж идкости на забой скважины.

Обычная (центральная) система промывки используется в долотах для разбуривания тверды х и очень тверды х пород. В этом случае про­ м ы вочная ж идкость проходит ч ерез центральное отверстие, единой ш ирокой струей набегает на вооруж ение долота, достигает забоя и рас­ текается в радиальны х направлениях, захваты вая и унося с забоя бу­ ровой шлам. При такой системе промывки больш ая часть энергии струи расходуется на взаим одействие с ш арош ками.

С точки зрения наиболее полного и полезного использования гид­ равлической мощности буровы х насосов более эф ф ективна гидромони­ торная (боковая) система промывки. Эта система вы полняется в доло­ тах для разбуривания м ягких и средней твердости горных пород, а так­ ж е в долотах всех типов для средних и низких частот вращения. При бурении скорость истечения ж идкости из промывочных отверстий со­ ставляет 80— 120 м /с , при этом струя нап равляется на периферийную часть забоя скваж ины . Д ля ф орм ирования струи использую тся насад­ ки из твердого сплава диаметром d 0 от 4,5 до 18 мм.

Гидромониторная струя явл яется затопленной, потому что распро­ стран яется в среде, заполненной промывочной жидкостью . Эта мощная ком пактная струя явл яется одним из элементов схемы комбинирован­ ного разруш ен и я горной породы. С одерж ание в промывочной жидко­ сти глинистых и других тверды х частиц повы ш ает разруш аю щ ую спо­ собность высокоскоростной струи.

С разу ж е после вы лета и з насадка струя явл яется компактной, и скорость в ее ядре на протяж ении начального участка 1н имеет постоян­ ное значение. Основным гидродинамическим параметром струи явля­ ется осевое динамическое давление, которое определяет силу воздей­

ствия струи на преграду. По м ере удаления от насадка динамическое давление уменьшается.

Втехнике применяют тонкие струи с насадками диаметром менее 4 мм

идавлением до 400 МПа для резания горных пород и других материалов. Энергия таких струй в пределах их начального участка фокусируется на минимальной контактной поверхности разрушаемого материала.

Опыты с тонкими струям и воды показы ваю т, что при диам етрах на­

садка от 1,0 до 4,0 мм и числах Рейнольдса Re > 4 * 105 безразм ерная длина начального (режущ его) участка струи (fH/ d 0) уклады вается в пре­ делах от 60 до 90.

Опыты по разруш ению (резанию ) струей воды бетонных образцов с пределом прочности на сж ати е 44 М Па показали следую щ ее. М акси­ мальная глубина прорези составила 40 мм при расстоянии от насадка до образца 50 мм. При м еньш их и больш их расстояниях глубина про­ рези резко уменьш алась. У словия эксперим ента: давление в насадке 50 МПа, скорость истечения струи из насадка 280 м /с, диам етр насадка 1,8 мм, скорость перем ещ ения струи вдоль образца 3 см/с.

вергались разруш ению струей из насадка диаметром 2,2 мм. Д авление внасадке 15 МПа, скорость струи 160 м /с , скорость перем ещ ения струи относительно образцу 0,35 м /с. В условиях данного эксперимента глу­ бина прорези (щели) з среднем составила 30 мм.

Таким образом, гидромониторная система промывки способствует Разруш ению мягких горных пород при низких частотах вращения до- л Ота. В ы сокая энергия струи отры вает ш лам и р азры хл яет забой на периф ерийной части. П ри правильном подборе насадок для конкретного интервала бурения можно наиболее полно использовать гидравли­ ческую мощность бурового насоса.

Р азруш ен и е горного м ассива перем ещ аю щ ейся струей жидкости происходит отдельны ми микроактами. Д лительность микроакта опре­ д еляется временем, необходимым д л я соверш ения и накопления дефор­ мации, предш ествую щ ей разруш ению . П осле того как под действием мРщной струи происходит начальны й вы кол взаим одействие струи и Разруш аем ой породы происходит по вновь образованной поверхности. В озникает новая задача о взаим одействии струи и твердого тела. Раз­ витие трещ ин и разруш ение горных пород высоконапорной струей ноС1Хт случайны й характер, что обусловлено наличием деф ектов и нео­ днородностью структуры горных пород. J

О писанны й м ехан и зм р азр у ш ен и я горны х пород струей жидко­ сти, в частности, и сп ол ьзу ется при вторичном вскры ти и продуктив­ ны х пластов д л я созд ан и я соверш енной гидрод инам ической связи м%жду скваж иной и коллектором . Это, так н азы ваем ы й , метод гидРО пескоструйн ой п е р ф о р а ц и и . П е р ф о р а т о р п р е д с т а в л я е т собой свальной корпус с насадкам и из твер д ы х сплавов. П ри прокачке чеР6з насадки водо-песчаной сусп ензи и с расходом до 6 л /с скорость струи достигает 200 м /с . Этого достаточно, чтобы за 20 минут прорв­ а т ь стенку обсадной трубы , а затем в горных породах средней твер­ дости п рорезать канал глубиной до 130 мм. К ак разновидность этого мвтода прим еняю т азотогидропескоструйную перф орацию . Газожид­ костная струя, сод ерж ащ ая абразивны й м атериал, разруш ает сталь и Горную породу более эф ф ективно .

5.$. ТЕХ НИКО -ЭКОНОМ ИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ РА БО ТЫ ДО ЛОТ.

ВЫ Б О Р РА Ц И О Н А ЛЬН Ы Х ТИПОВ ДО ЛО Т

Эф ф ективность проводки скваж ины определяется такими

показателям и как скорость, качество и стоимость. В свою очередь эти показатели определяю тся тем, насколько правильно было подобрано и обработано долото, а так ж е тем, насколько правильно был подоб; буровой раствор.

Для оценки работы долота пользую тся следую щ ими показателями:

•проходка h за один рейс, м;

•механическая с к о р о с ть проходки Ум, изм еряем ая числом метров, проходимых долотом за один час работы на забое;

•рейсовая с к о р о сть проходки V , изм еряем ая числом метров про­ ходки за один рейс, отнесенных ко времени пребывания долота на

забое t , плюс суммарное врем я tcn на зам ену долота, подъем, спуск инструмента и наращ ивание колонны в процессе бурения.

Износ трехш арош ечного долота происходит в среднем за 24— 48 ча­ сов вращения. Об изнош енности долота можно судить по изменению шума, создаваемого бурильной колонной, и по снизивш ейся м еханичес­ кой скорости проходки. Долото зам еняю т в ходе спускоподъемной опе­ рации.

Комплексный критерий оценки эф ф ективности работы долот — эк­

где tn4 — продолжительность подготовительно-заклю чительны х работ, отнесенных на один рейс; Сй — см етная стоимость одного часа работы буровой установки, откорректированная по ф актической коммерческой скорости; С — стоимость долота.

Вподавляющем больш инстве случаев для проходки скваж ин м ож ет быть использован роторный способ бурения. Турбинный способ обеспечи­ вает более высокие показатели при бурении скважин глубиной до 3000 м с промывкой водой и неутяж еленны м и буровыми растворами. Комбини­ рованный турбинно-роторный способ реком ендуется использовать: при бурении долотами больш их диам етров в геологических условиях, спо­ собствующих искривлению скваж и н ; при бурении с п рим енением растворов высокой плотности и вязкости.

Для геологического р азр еза характерны многочисленные интерва­ лы, представленные породами ниж е третьей категории твердости (мяг­ кими породами). Бурение таких пород целесообразно вести энергоем ­ кими лопастными долотами. К важ нейш им геологическим особеннос­ тям, существенно влияющим на технологию бурения, относятся наличие зон аномально высоких пластовы х давлений (АВПД) и высоких забой­ ных температур.

Рациональной ко н стр у к ц и ей (ти п о м ) д о л о т а явл яется такая, ко­ торая при бурении в конкретны х геологических условиях обеспечива­ ет минимум эксплуатационных затр ат на один метр проходки. Для каж -

дого м есторож дения подбираю тся рациональны е типы долот. Тип до­ лота и реком ендуемы е реж им ы работы назначаю тся с учетом геологи­ ческого разреза, исследований кернового и шламового м атериала, с уче­ том результатов промысловых испы таний опы тны х партий долот и ха­ рактера износа их элементов.

Выбор типа долота для бурения конкретной горной породы с извес­ тны ми категориям и твердости и абразивности можно осуществить с помощью классиф икационной таблицы (рис. 5.22). В данной таблице на основании обобщ ения опыта отработки долот эталонны ми точками по­ мечены сочетания категорий твердости К т и абразивности К а пород, для р азруш ен и я которы х наиболее подходят сущ ествую щ ие типы шаро­

Рис. 5.22. Таблица парных соответствий категорий твердости и абразивно­ сти пород типам шарошечных долот

Если требуется вы брать тип долота д л я бурения пород с различны­ ми м ехан ически м и свойствам и, то необходим о оп ред ели ть средне­ взвеш енны е значения категорий твердости и абразивности. И з таблицы, например, следует, что для средневзвеш енных значений К Т = 6,6 и # а = 5,4 расчетная точка Д наиболее близко располож ена к эталонной точке, соответствую щ ей долоту типа ТЗ.

Тип долота и основные парам етры реж им а бурения (осевая нагруз­ ка на долото, число оборотов, проходка за рейс и др.) устанавливаются

5.9. Технико-экономические показатели работы долот

■еолого-техническим нарядом (ГТН). Регламенты отработки долот*а р а з ­ рабатываются для каж дой площ ади или м есторож дения в целом-

Регламент от работ ки долот а содерж ит ш иф р долота для разб у ­ ривания каждой представленной в р азр езе пачки, способ бурения Фтипы применяемых забойных двигателей. Д ля каждого интервала залегания пачек регламент реком ендует парам етры реж им ов бурения: осевУю нагрузку на долото; частоту вращ ен ия ротора; парам етры и расход про­ мывочной жидкости; давление в нагнетательной линии насоса. В регла­ менте также обозначаются планируем ы е показатели на долото (проход­ ка, стойкость, механическая скорость) и планируем ы е показатели Для разбуривания каждой пачки (количество долот, врем я механического бурения, коммерческая скорость бурения, эксплуатационны е затраты на 1 м проходки).

Долото поступает на буровую с п а сп о р т о м . После отработки доло­ та буровой мастер заносит в соответствую щ ие граф ы паспорта все не­ обходимые данные из бурового ж урн ала и индикаторной диаграммы*

О бязательны м процессом при бурении скваж ин вращатель­ ным способом является процесс промывки. П ри этом на буровой раствор возлагаю тся следую щ ие функции:

•удаление выбуренной породы из-под долота и транспортировка ее на дневную поверхность;

•удерж ан ие частиц выбуренной породы во взвеш енном состоянии при остановке циркуляции;

• охлаж дение долота и облегчение разруш ен ия породы на забое;

•воздействие на стенки скважины для предупреждения их обрушения;

•создание противодавления в скваж ине для предупреж дения водо-, неф те-, газопроявлений;

•уменьш ение трения элементов бурильной колонны о стенки сква­ жины;

•передача энергии гидравлическому забойному двигателю . Соответственно буровы е растворы не долж ны оказы вать вредного

воздействия на бурильный инструм ент и забойные двигатели, должны легко прокачиваться и очищ аться от ш лам а и газа, быть безопасными для персонала и окруж аю щ ей среды , быть недорогими и допускать воз­ можность многократного использования,

В слож ны х геологических условиях буровы е растворы должны пре­ дотвращ ать ослож нения или ликвидировать их в самом начале. Напри­ мер, д л я исклю чения поглощ ений раствор долж ен иметь минимальную плотность и обладать при этом достаточной вязкостью и тиксотропностью. Д ля предупреж дения обруш ений стенок скваж ины и газонефтепроявлений раствор долж ен им еть повы ш енную плотность. Обычный глинистый раствор перечисленны м взаимоисклю чаю щ им требованиям не в состоянии удовлетворить. Поэтому в ослож ненны х условиях буре­ ния использую т ф изико-хим ическую обработку глинистых растворов, изменяю т состав и концентрацию твердой ф азы .