технология бурения 2

Поскольку при разрушении породы долотом образуются частицы разных размеров и кольцевое пространство скважины может иметь разные размеры, по соотношению (9.68) находят расход, необходимый для выноса в наиболее широкой части кольцевого пространства даже самых крупных частиц, эквивалентный размер которых может быть найден из эмпирической зависимости

Таким образом, расчет расхода промывочной жидкости сводится к определению скорости оседания (витания) твердых частиц, которая может зависеть от вида жидкости и режима её течения.

При бурении с промывкой водой и продувкой воздухом вследствие малой вязкости режим течения их в кольцевом пространстве и режим обтекания твердых частиц преимущественно турбулентный, а скорость оседания твердых частиц находится по формуле Риттингера

где ρП – плотность разбуриваемых пород.

При бурении с промывкой ВПЖ режим течения в кольцевом пространстве чаще всего ламинарный. В ламинарном потоке ВПЖ Бингама скорость оседания твердых частиц может быть найдена из зависимости

где– параметр Архимеда; – параметр Хедстерма для частицы.

При Ar < 6 Не считают, что UОС ≈0.

Если режим течения жидкости в кольцевом пространстве неизвестен, то целесообразно скорость оседания частиц определять по формуле Риттингера, дающей более высокую скорость оседания.

9.3.4.Расход, обеспечивающий заданный режим течения

вкольцевом пространстве

Как указывалось выше, при проходке ММП минимальное их растепление достигается при ламинарном режиме течения в кольцевом простран-

39

119

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

стве (КП), а наилучший транспорт шлама в эксцентричном кольцевом пространстве – при турбулентном.

Для жидкости, описываемой уравнением Бингама, критическое значение параметра Rе, при котором ламинарный режим течения переходит в

9.3.5. Расход жидкости, необходимый для нормальной работы гидравлического забойного двигателя

Для этого необходимо, чтобы момент, создаваемый двигателями, был больше момента, требуемого для вращения долота Мд при заданной осевой нагрузке Gд.

Момент, создаваемый турбиной турбобура, пропорционален плотности и квадрату расхода жидкости и может быть найден из выражения

40

120

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Объемное содержание шлама в потоке жидкости в КП определяется выражением

где Qшл = Vм ·πDд2/4 – объемный расход выбуриваемой породы в единицу времени;

Vм – механическая скорость проходки; Dд – диаметр долота;

Uж.кп, Uос – скорость восходящего потока жидкости и скорость оседания частиц шлама соответственно.

Отсюда необходимый расход

где Sкп – площадь кольцевого пространства.

9.3.7. Выбор проектного расхода

Естественно, что расход промывочной жидкости должен обеспечивать выполнение всех её функций (очистка забоя, транспортирование частей шлама, обеспечение нормальной работы ГЗД) при заданных ограничениях по объёмному содержанию выбуренной породы, заданному режиму течения в КП, отсутствия поглощения.

Следует отметить, что выполнение всех условий является строго обязательным. Если нарушение условия транспортирования частиц шлама может привести к прихвату, то нарушение условий очистки забоя приведет к уменьшению скорости проходки из-за повторного размельчения частиц шлама и в ряде случаев может быть допустимо.

Пусть по результатам расчета получены следующие значения необходимого расхода (табл. 9.2).

Для создания расхода 0,073 м3/с необходимо иметь три насоса У86М (dвт = 150 мм). Но на большинстве буровых установок имеется два насоса. Допустим, в качестве проектного расхода можно выбрать Q = 0,047 м3/с. Поскольку интервал бурения под направление невелик, потери времени из-за недостаточной промывки забоя будут незначительными –

1-2 часа.

42

122

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Таблица 9.2 Расчетные значения расхода промывочной жидкости

9.3.8. Оптимизация расхода промывочной жидкости

Как известно, величина расхода промывочной жидкости должна быть достаточной для отчистки забоя, транспортирования частиц выбуренной породы на дневную поверхность и передачи энергии гидравлическому забойному двигателю. В то же время расход жидкости не должен быть чрезвычайно большим во избежание гидроразрыва пород, размыва стенок скважины и т.д. Эти условия обуславливают верхнюю и нижнюю границы величины расхода. Найденные из этих условий значения расхода промывочной жидкости могут быть далеки от оптимальных. Оптимальным следует считать такой расход промывочной жидкости, при котором достигаются максимальные показатели бурения (проходка на долото и механическая скорость) или минимальная стоимость метра проходки.

Известен ряд зависимостей, связывающих показатели бурения с режимами промывки. Однако на практике пользоваться этими зависимостями невозможно, т.к. они содержат значительное количество эмпирических коэффициентов, значения которых, как правило, неизвестны, поэтому для оптимизации расхода промывочной жидкости используются частные критерии.

Известно, что показатели бурения повышаются с улучшением очистки забоя, что достигается при минимуме давления жидкости на забое. Ряд исследователей считают, что очистка забоя во многом определяется мощностью гидромониторных струй и силой удара их о забой.

В связи с этим применяются следующие критерии оптимизации расхода промывочной жидкости:

1)минимум давления в скважине;

2)максимум мощности гидромониторных струй;

3)максимум силы удара гидромониторных струй о забой.

Оптимизация по минимуму давления в скважине. Давление на за-

43

123

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

где – увеличение плотности промывочной жидкости в кольцевом пространстве за счёт выбуренной породы,

– потери давления в кольцевом пространстве.

Увеличение плотности промывочной жидкости зависит от объёмного содержания в ней шлама .

где – механическая скорость проходки;

– площадь забоя;

– объёмный расход выбуриваемой породы;

– средняя скорость оседания частиц шлама в восходящем потоке жидкости;

– объёмный расход промывочной жидкости.

где – гидравлический диаметр кольцевого пространства.

Из зависимостей (9.90) и (9.91) следует, что чем выше величина расхода промывочной жидкости при известной (заданной) механической скорости, тем меньше гидростатическая составляющая давления в скважине, но тем больше гидродинамическая составляющая. Зависимость имеет минимум (рис. 9.29).

Экстремум на линии достаточно пологий, можно принимать, что Q

для скважины Dс = 220 мм и труб диаметром 127 мм при бурении с раствором плотностью 1100–1200 кг\м3 приведены в таблице 9.3.

44

124

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

P

Pc

(ρ+Δρ)gH

Pкп

Q

Qопт

Рис. 9.29. Влияние расхода промывочной жидкости на при заданной механической скорости

Оптимизация по критериям максимума мощности гидромониторной струи и силы удара гидромониторной струи о забой. Как правило, насосы современных буровых установок имеют регулируемый привод (дизельный или электродвигатель постоянного тока) – это позволяет при выбранном диаметре втулок насоса варьировать расход промывочной жидкости, изменяя частоту ходов поршня или плунжера. Выбор оптимального расхода в

частоте ходов, при известном максимально допустимом давлении насоса может производиться по критериям максимума мощности гидромониторной струи и силы её удара о забой.

Мощность гидромониторных струй определяется выражением

где – коэффициент расхода насадок,

– перепад давления в долоте.

45

125

Их можно аппроксимировать зависимостью.

Был выбран насос НБТ-600, у которого при плунжере d = 160 мм, [Р]=14,3МПа, Q=(30,5-18,5)103 м\с. Подставляя значения в (9.91), полу-

чим:

=0,025 м3\с.

Сила удара гидромониторной струи о забой:

где – расход жидкости через одну гидромониторную насадку; n – количество гидромониторных насадок.

. (9.100)

Тогда

46

126

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

. (9.101)

Аналогично предыдущему разделу продифференцировав (9.3.60) и прировняв производную к нулю, получим значение расхода, при котором сила удара гидромониторной струи максимальна.

Для вышеприведённых данных получим:

Перепад давления в долоте при этом расходе:

.

Данный перепад давления при использовании раствора плотностью 1200 кг\м3 и при 0,9 реализуется в гидромониторных насадках с суммарной площадью

Отсюда диаметр гидромониторных насадок dн = 11 мм.

Если бы был выбран более мощный насос с более высоким допустимым давлением, то оптимальный расход был бы выше. Однако это вряд ли

рость истечения жидкости из насадок U0 составила бы уже около 100 м\с, а параметр .

Согласно исследованиям Экеля (рис. 9.30), увеличение параметра Re в насадках долота боле 105 мало влияет на механическую скорость.

47

127

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

V, м/с

10

5

2

1

Рис. 9.30. Влияние критерия Rе, вычисленного по диаметру насадки на скорость проходки

Бурение на равновесии как метод оптимизации гидравлической про-

граммы. В настоящее время большинство скважин бурится на репрессии, когда гидростатическое давление столба промывочной жидкости на 5– 15 % больше пластового, с тем чтобы при СПО давление в скважине не снижалось ниже пластового.

Но при этом давление в скважине при бурении будет равно:

где k – коэффициент превышения давления столба промывочной жидкости над пластовым.

При глубинах около 2000 м дифференциальное давление составляет 2–4 МПа, такое давление существенно затрудняет отчистку забоя и снижает показатели бурения. Для нормального бурения достаточно было бы

должна быть

. (9.105)

Очевидно, что производить подъём бурильной колонны при такой жидкости нельзя. Подъём следует производить при наличии в скважине

48

128