какой параметр работы взд влияет на скорость вращения долота

Влияние частоты вращения долота

Тема 7. РЕЖИМ БУРЕНИЯ

1. Режимные параметры и показатели бурения.

2. Влияние режимных параметров на показатели бурения.

3. Особенности режимов вращательного бурения.

РЕЖИМНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ПОКАЗАТЕЛИ БУРЕНИЯ

Эффективность бурения зависит от комплекса факторов:

· осевой нагрузки на долото (Р),

· частоты вращения долота (п),

· расхода промывочной жидкости (Q);

· параметров качества бурового раствора (ρ, t, В),

· механических свойств горных пород.

Выделяют параметры режима бурения, которые:

2) Отдельные факторы, установленные на стадии проектирования строительства скважины, (отдельные из которых нельзя оперативно изменять).

Режим бурения – это определенное сочетание параметров и факторов, влияющие на показатели бурения, которые могут изменяться бурильщиком с пульта управления БУ.

Специальные режимы бурения, при которых решаются в процессе бурения специальные задачи:

1) проводка скважины через поглощающие пласты,

2) обеспечение минимального искривления скважины (контролирование искривления),

3) максимального выхода керна (при колонковом бурении),

4) качественного вскрытия продуктивных пластов и т.д.

Каждый параметр режима бурения влияет на эффективность разрушения горных пород, причём влияние одного параметра зависит от уровня другого, (т.е наблюдается взаимовлияние факторов).

Основные показатели эффективности бурения нефтяных скважин:

1) проходка на долото,

2) механическая скорости бурения

3) рейсовая скорости бурения

4) удельные эксплуатационные затраты на один метр проходки.

1. Проходка Н – это число метров, пробуренных от начала разрушения породы данным долотом до рассматриваемого момента работы его на забое.

Проходка на долото H_д (м) – общее число метров, пробуренных долотом до его полного износа, в большинстве случаев H_д = Н_р, где Н_р – проходка за рейс, однако при использовании алмазных, ИСМ долот и бурильных головок для отбора керна Н_р ˂ H_д, очень важный показатель, определяющий:

1) расход долот на бурение скважины и потребность в них по площади и УБР в целом,

3) изнашивание подъемного оборудования,

4) трудоемкость бурения,

5) возможность некоторых осложнений.

Проходка на долото зависит от:

1) абразивности пород,

3) правильности подбора долот,

5) критериев отработки долот.

2. Механическая скорость проходки υ_м = H_д / Т_м характеризует интенсивность разрушения породы долотом.

Отношение проходки долота за рейс Н_р ко времени, затраченному на разрушение породы в течение этого рейса Т_м называют средней механической скоростью:

Выделяют текущую (мгновенную) механическую скорость:

При известных свойствах горных пород механическая скорость характеризует:

· эффективность разрушения горных пород,

· правильность подбора и отработки долот,

· способа бурения и режимных параметров,

· величину подведенной на забой мощности и ее использование.

Если в одинаковых породах и интервалах одной скважины скорость ниже, чем в другой, надо улучшать режим (особенно актуально при кустовом бурении).

Изменение текущей механической скорости связано с:

·

чередованием пород по твердости,

· изменением режимных параметров в процессе

3. Рейсовая скорость проходки – скорость углубления скважины с учетом затраты времени не только на разрушение породы (Т_м) и на СПО (Т_сп), но и вспомогательные работы в течении этого времени (Т_в):

где H_д — проходка на долото, м;

Т_м – продолжительность работы долота на забое, ч;

Т_сп – продолжительность спуска и подъема долота, наращивания инструмента, ч.

Т_в – время на вспомогательные работы, ч.

Рейсовая скорость определяет темп углубления скважины, она показывает, что темп проходки ствола зависит не только от отработки долота, но и от объема и скорости выполнения СПО. Если долго работать изношенным долотом или поднимать долото преждевременно, то υ_р снижается. Долото, поднятое при достижении максимума рейсовой скорости, обеспечивает наиболее быструю проходку ствола.

Средняя рейсовая скорость по скважине выражается:

4. Удельные эксплуатационные затраты на 1 м проходкиопределяется по формуле,

С_ч – эксплуатационные затраты за 1 ч работы буровой установки;

ВЛИЯНИЕ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА ПОКАЗАТЕЛИ БУРЕНИЯ

Влияние осевой нагрузки

Разрушение горной породы на забое механическим способом невозможна без создания осевой нагрузки на долото. На рис. 1.1. показана зависимость механической скорости бурения υ_м от осевой нагрузки G на трёхшарошечное долото при проходке мягких (кривая 1), средней твёрдости (кривая 2), твёрдых (кривая 3) и крепких (кривая 4) пород при неизменной низкой (до 60 об/мин) частоте вращения и достаточной промывке за короткий промежуток времени, когда изнашиванием долота можно пренебречь.

Как видно из рисунка, механическая скорость непрерывно возрастает с увеличением осевой нагрузки, но темп её роста зависит от твердости горных пород (для мягких пород более быстрый, так как больше глубина погружения зубьев при одинаковой нагрузке).

На стенде, и в промысловых условиях наблюдается изменение темпа роста Vм от G при переходе от разрушения пород истиранием при небольшой осевой нагрузке к разрушению пород в усталостной и объёмной областях при больших нагрузках.

Если скорость вращения долота неизменна и обеспечивается достаточная чистота забоя, величина углубления за один оборот dу возрастает с увеличением удельной осевой нагрузки Руд так. При весьма малой нагрузке напряжение на площадке контакта зуба шарошки с породой меньше предела усталости последней; поэтому при вдавливании происходит лишь упругая деформация породы. Разрушение же породы в этой зоне, которую обычно называют областью поверхностного разрушения, может происходить путём истирания и, возможно, микроскалывания шероховатостей поверхности при проскальзывании зубка.

Если нагрузка более высокая, то давление на площадки контакта зубка с забоем превышает предел усталости, но меньше предела прочности породы. Поэтому при первом ударе зубка по данной площадке происходит деформация породы, возможно, образуются начальные микротрещины, но разрушения ещё не происходит. При повторных ударах зубков по той же площадке начальные микротрещины развиваются вглубь до тех пор, пока при очередном ударе не произойдёт выкол.

Чем больше действующая на зубок сила, тем меньше ударов требуется для разрушения. Эту зону называют областью объёмно – усталостного разрушения.

При более высоких нагрузках разрушение породы происходит при каждом ударе зубка. Поэтому участок называют областью эффективного объёмного разрушения породы.

Углубление за один оборот dу мало и возрастает очень медленно, пропорционально удельной нагрузке на долото Руд. Под удельной нагрузкой понимают отношение нагрузки на долото G к его диаметру.

В области усталостного разрушения углубление растет быстрее увеличения удельной нагрузки и зависимость между ними имеет степенной характер.

В области эффективного объёмного разрушения породы углубление за один оборот быстро возрастает – примерно пропорционально удельной нагрузке (или несколько быстрее), если обеспечена достаточная очистка забоя.

Характер зависимости между углублением за один оборот долота dу и удельной нагрузкой Руд существенно изменяется, как только очистка забоя становится недостаточной и на нём скапливаются ранее сколотые частицы, которые не успели переместиться в наддолотную зону. Такие частицы дополнительно измельчаются при новых ударах зубков шарошек по забою.

Вывод: С ухудшением очистки забоя прирост углубления за один оборот долота с увеличением удельной нагрузки будет уменьшаться.

Влияние частоты вращения долота

С изменением частоты вращения долота меняется число поражений забоя зубками шарошечного долота.

При малой частоте вращения долота отрыв сколотой частицы от забоя и её удаление облегчаются, так как:

· промежуток времени, в течение которого остаётся раскрытой трещина в породе, образующаяся при вдавливании зубка, достаточен для того, чтобы в эту трещину проник фильтрат бурового раствора (или сам раствор).

· давления на частицу сверху и снизу практически сравниваются и трещина не может сомкнуться после отрыва зубка от породы.

При увеличении же частоты вращения:

· уменьшается промежуток времени, в течение которого трещина раскрыта, и возникает вероятность, что фильтрат в трещину не успеет проникнуть, трещина после отрыва зубка шарошки от породы сомкнётся,

· прижимающая сила и фильтрационная корка будут удерживать частицу, препятствовать её удалению с забоя. Поэтому на забое сохраниться слой сколотых, но не удалённых частиц, которые будут повторно размалываться зубцами долота.

Поскольку из-за неполноты очистки забоя величина углубления за один оборот долота dу с увеличением частоты вращения (угловой скорости w) уменьшается, то механическая скорость υ_м будет возрастать пропорционально частоте вращения долота в степени меньшей единицы (рис. 5.3.).

Источник

Общие параметры бурения в различных породах

А. С. НОВИКОВ – к.т.н., технический директор ООО «МИП Георазведка плюс»
Г. И. ВЫШЕГОРОДЦЕВА – к.т.н., доцент РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина

В данной статье описаны специфика и сложности вскрытия и бурения зон с аномально высоким и низким пластовым давлением. Проведен анализ возможных осложнений при сооружении и эксплуатации скважин в данных условиях. Даны рекомендации, позволяющие снизить риски возникновения внештатных ситуаций при проведении буровых и эксплуатационных работ в зонах с аномально высоким и низким пластовым давлением.

Ключевые слова: аномально высокое и низкое пластовое давление, проходка скважины, глубина залегания пород, эксплуатационная колонна.

Незагрязненными пластами считаются пласты без прослоев, представляющие собой один литологический тип. Они встречаются редко; например, некоторые глины включают некоторое количество песка и известняка. Тем не менее, правильный подбор параметров бурения с учетом преобладающей литологии позволяет повысить эффективность работ.

Глины

При бурении пород данной категории увеличение скорости вращения бурового инструмента обычно сопровождается повышением скорости проходки (как правило, этот параметр влияет на скорость проходки в большей степени, чем нагрузка на долото). При этом риск повреждения вооружения долота в таких породах минимален. Однако, существует значительный риск образования сальника на долоте и элементах КНБК, при отсутствии в растворе ингибитора глин и повышенной условной вязкости раствора.

При бурении твердого чистого мел/известняка максимальная скорость проходки достигается путем увеличения нагрузки на вершинные части зубьев вооружения, раздавливающих породу. Также рекомендуется высокая осевая нагрузка на долото при низкой скорости вращения, чтобы вооружение успевало полноценно врезаться в пласт. При этом долота могут быть повреждены при ударе. Если пласт чистый (т. е., не содержит песок и другой абразив), абразивный износ вооружения будет минимальным.

Твердые песчаники

При бурении пород данной категории максимальная скорость проходки достигается путем увеличения нагрузки на вооружение долота, поэтому рекомендуется высокая осевая нагрузка. Также для обеспечения эффективного разрушения породы, рекомендуется бурить с низкой скоростью вращения. При этом долота могут повреждаться при ударе и подвергаться абразивному износу. Уменьшение диаметра долота может быть значительно. Последний снижается при низкой скорости вращения. Низкая скорость вращения инструмента также приводит к уменьшению скорости проходки, поэтому необходимо достигать разумного компромисса между этими параметрами.

Карбонаты

Пириты

Перемежающиеся породы

Наиболее встречающаяся ситуация, переслаивание песчаников, глин, аргиллитов, мергелей т. п. В этом случае наиболее эффективны шарошечные долота с твердосплавным вооружением, или долота PDC адаптированные для бурения в средних породах, при отсутствии или незначительных включениях абразивных пород. При этом возможны все виды осложнений (сальники, абразивный износ, вибрации).

Анализ выбуренного шлама

Шлам на виброситах должен регулярно собираться и анализироваться для подтверждения типа разбуриваемых пород. Для выхода на поверхность ему требуется время, рассчитываемое для увязки шлама с глубиной его выбуривания и соответствующими параметрами бурения. Форма, крупность, Абразивность и литологический состав шлама указывает на эффективность бурения (выход мелкого шлама в мягких породах укалывает на крайнюю неэффективность бурения).

Основные параметры режима бурения

Крутящий момент

Крутящий момент указывает на работу долота. Например, высокий крутящий момент долота PDC свидетельствует о том, что, вероятно, долото чрезмерно углубляется, а при низкой скорости проходки, крутящий момент может создаваться элементами КНБК. а не долотом. Низкий крутящий момент, долото PDC: вероятно проскальзывает в твердой породе: вооружение может быть изношено или на долоте образовался сальник. Средний крутящий момент при бурении шарошечным долотом, свидетельствует о том, что долото зарывается. Высокий крутящий момент при бурении шарошечным долотом может свидетельствовать о возможном заклинивании шарошек. В этом случае крутящий момент будет постепенно снижаться по мере износа зубчатых элементов вооружения. Низкий крутящий момент при одновременном снижении механической скорости бурения, как правило, является следствием существенного износа вооружения.

Показание крутящего момента в мягких породах может говорить о нахождении долота на забое еще до того, как это покажет индикатор нагрузки на долото. Указатель крутящего момента может быть оптимальным поверхностным средством измерения для осуществления бурения.

Крутящий момент считается слишком высоким, когда скорость вращения по поверхностному указателю начинает уменьшаться. Слишком высокий крутящий момент может вызвать заклинивание забойного двигателя, стола ротора или верхнего привода.

Показание крутящего момента при бурении в однородных пластах должно быть постоянным.

В переслаивающихся пластах происходит изменение крутящего момента при переходе долота и/или КНБК между слоями с разной прочностью и буримостью, при этом необходимо обращать внимание на использованный ресурс долота.

При возможности измерений крутящего момента в скважине их можно использовать вместе с поверхностными показаниями для получения более точного представления о происходящем в скважине.

Реактивный момент

Отрывать долото от забоя при наличии циркуляции категорически нежелательно, во избежание возникновения реактивного момента, что может привести к развороту в рабочих соединениях. Отрыв долота осуществляется только при отсутствии циркуляции и лишь после отрыва необходимо включить насос, для определения давления при холостом вращении. При бурении необходимо фиксировать ведущую трубу для предупреждения вращения от реактивного момента, что может привести к развороту в рабочих соединениях.

Нагрузка на долото

По мере износа вооружения долота при бурении в однородном пласте требуется увеличение нагрузки для поддержания неизменной скорости проходки. Износ и изношенные вставки, износ фрезерованных зубьев, снижают эффективность работы долота, снижается механическую скорость бурения. По мере износа вооружения необходимо увеличивать нагрузку на долото с шагом примерно 2000 фунтов (900 кг).

В общем, осевую нагрузку следует увеличивать до того (но не более разрешенной), как произойдет чрезмерное повышение скорости вращения, чтобы поддерживать большую глубину врезания вооружения для стабилизации долота и предотвращения его завихрения. При бурении с ВЗД, контроль нагрузки на долото можно осуществлять по изменению давления на насосах. При увеличении осевой нагрузки растет момент на долоте и снижаются обороты долота перепад давления пропорционален моменту силы на валу, что очень важно при бурении горизонтального участка ствола скважины, где нагрузка на долото по индикатору веса не определяется.

Скорость вращения

Разбуривание твердых пород с высокой скоростью вращения может сопровождаться снижением скорости проходки из-за неспособности вооружения внедряться в породу, актуально для шарошечных долот (алмазные и импрегнированные долота эффективны только при высоких скоростях вращения). Скорость вращения, обеспечивающая максимальную скорость проходки без возникновения осложнений, с большей долей вероятности являете оптимальной.

Расход бурового раствора

Расход бурового раствора существенно влияет на очистку скважины. В общем, скважина очищается лучше при высоком расходе, чем при низком. поскольку первый обеспечивает эффективную очистку забоя, увеличенную скорость потока в кольцевом пространстве и более эффективный вынос бурового шлама на поверхность. Расход бурового раствора существенно влияет на очистку долота и забоя скважины. Высокий расход обуславливает подвод большей гидравлической мощности на долото по сравнению с низким расходом, что улучшает его очистку и воздействие струи раствора из насадок долота на забой. Увеличение расхода на забойном двигателе повышает обеспечиваемую им скорость вращения. Этот аспект требует тщательного рассмотрения, так как от него в большой степени зависят показатели бурения.

Увеличение скорости вращения ротора забойного двигателя в чистых глинах вызывает увеличение скорости вращения долота и мгновенное повышение скорости проходки без повреждения вооружения или иных проблем, кроме сальникообразования и увеличения количества твердой фазы в растворе. При отсутствии ингибитора глин это происходит всегда. Если это происходит в твердых абразивных песчаниках, скорость проходки может увеличиваться. Тем не менее, чем выше скорость вращения, тем сильнее износ вооружения и диаметра долота, что в конечном итоге приведет к снижению скорости проходки и сокращению стойкости долота, а также к дополнительным работам по расширению ствола скважины.

Увеличение скорости вращения забойного двигателя и, следовательно, долота может изменить направление движения КНБК (в большей степени в вертикальной плоскости, чем в горизонтальной). Необходимо найти баланс между мгновенной скоростью проходки и корректировкой направления. Подача бурового раствора с высоким расходом может вызвать повреждение пласта, особенно в слабосцементированных песчаниках, повышению эквивалентной плотности раствора, что может вызвать поглощение бурового раствора. Необходимо избегать неоправданных значений расходов насоса.

ЛИТЕРАТУРА:

Источник

Влияние параметров режима бурения на показатели работы долот

Понятие о режиме бурения и его параметрах.Под режимом бурения понимается определенное сочетание регулируемых па­раметров, влияющих на показатели бурения. К числу таких па­раметров режима бурения относятся:

— осевая нагрузка (дав­ление) на долото Р_д;

— частота вращения долота n;

— коли­чество прокачиваемой промывочной жидкости Q;

— качество промывочной жидкости (плотность, вязкость, показатель филь­трации, статическое напряжение сдвига).

Сочетание этих параметров, позволяющее получать наибо­лее высокие качественные и количественные показатели буре­ния при данной технической вооруженности буровой, называ­ется рациональным (или оптимальным) режимом бурения.

На практике часто в процессе бурения приходится отбирать керн, бурить скважину в неблагоприятных геологических усло­виях (зонах, склонных к поглощениям, осложнениям, связан­ным с нарушением целостности ствола скважины, и т. п.), за­буривать в сторону от ранее пробуренного ствола и т. д. Ре­жимы бурения, применяемые в таких случаях, называются спе­циальными режимами.

Влияние количества и качества бурового раствора.Промыс­ловыми наблюдениями и лабораторными исследованиями уста­новлено, что наилучшие результаты работы долот получают при своевременном удалении с забоя выбуренной породы, в против­ном случае она оказывает дополнительное сопротивление до­лоту. Чистота забоя, а следовательно, и собственно процесс бу­рения зависят от следующих факторов.

Механическая скорость про­ходки зависит от дифференциального давления, представляю­щего собой разность между давлением столба бурового раствора в скважине и пластовым (поровым) давлением. Давление столба жидкости (гидростатическое давление) прямо пропор­ционально ее плотности. Если дифференциальное давление больше 3,5 МПа, то механическая скорость проходки остается примерно постоянной.

С увеличением плотности бурового раствора увеличива­ется давление на забой скважины, сопротивляемость пород раз­рушению возрастает, вследствие чего показатели бурения умень­шаются. В тех случаях, когда геологические условия позволяют, следует использовать в качестве бурового раствора воду, газ или воздух с обязательной компенсацией их недостаточной подъемной способности высокой скоростью движения в затрубном пространстве.

2. Количество бурового раствора, подаваемого на единицу площади забоя скважины. Установлено (исследования проводи­лись при бурении роторным способом и электробуром), что тех­нологически необходимое количество промывочного раствора (Q, л/с) примерно равно

Превышение подачи буровых насосов над вычисленной по данному соотношению величиной не приводит к существенному изменению механической скорости проходки.

3. Скорости истечения потока жидкости из отверстий долота и расположения этих отверстий по отношению к шарошкам и забою скважин. С увеличением скорости истечения бурового раствора из долотных насадок улучшается очистка забоя сква­жины, а следовательно, возрастает механическая скорость про­ходки. Наблюдения показывают, что значительный рост меха­нической скорости проходки достигается в том случае, когда скорость струй, вытекающих из насадок гидромониторного до­лота, превышает 60-75 м/с. Большое значение на условия очи­стки забоя оказывает высота зубьев шарошек. Чем больше про­свет между шарошками и забоем, тем совершеннее его очистка и выше значения h/n. Наименьшие значения h/n наблюдаются в тех случаях, когда применяются алмазные долота, в которых зубья (алмазы) выступают за матрицу на незначительную вы­соту, и штыревые с твердосплавными вставками, почти утоп­ленными в теле шарошки.

Влияние частоты вращения долота.При увеличении частоты вращения долота механическая скорость проходки растет, достигая максимальной величины, а затем снижается. Каждому классу пород (пластичные, пластичнохрупкие и хрупкие) соответствуют свои кри­тические частоты вращения долота, превышение которых вызы­вает снижение механической скорости проходки. Надо также иметь в виду, что повышение частоты вращения шарошечных долот снижает долговечность их работы вследствие более ин­тенсивного износа опор и сокращает проходку за рейс долота.

Рис.10.1. Кривая зависимости механической скорости проходки от ударной на­грузки	Рис. 10.2. Влияние осевой нагрузки на механическую скорость и проходку на долото при турбинном бурении

Влияние осевой нагрузки. Влияние осевой нагрузки на механи­ческую скорость проходки могут быть охарактеризованы гра­фиком (рис. 10.2), отражающим качественную сторону процесса. На кривой выделяются три области. Область I харак­теризуется тем, что v увеличивается пропорционально увеличе­нию Р_д. В этой области удельная нагрузка значительно меньше прочности разрушаемой породы, поэтому процесс разрушения носит поверхностный характер. Область I называется областью поверхностного разрушения.

В области II и также увеличивается с ростом Р_д, но в дан­ном случае механическая скорость проходки растет быстрее, чем увеличивается создаваемая на долото нагрузка. В этой об­ласти породы разрушаются при удельной нагрузке, меньшей твердости разрушаемой породы, но уже близкой к ней. Эта об­ласть условно называется областью усталостного разрушения. На границе областей // и /// удельная нагрузка будет соответ­ствовать твердости разрушаемой породы.

В области III процесс разрушения носит объемный харак­тер. Область /// называется областью нормального или объем­ного разрушения.

Описанное выше разделение режимов разрушения породы условное, так как при работе долота в разной степени наблюда­ются все три вида разрушения.

Взаимосвязь между параметрами режима бурения.В ротор­ном бурении параметры режима бурения не зависят друг от друга. В процессе бурения можно менять любой из них: Р_д, nили Q, не изменяя других.

Иное дело в турбинном бурении. Здесь основной параметр режима бурения — количество прокачиваемого бурового рас­твора Q, т. е. частота вращения долота в турбинном бурении переменна и зависит от количества бурового раствора и осевой нагрузки на долото, другими словами, при турбинном бурении изменение Q не­изменно повлечет за собой изменение nи Р_д.

При бурении электробуром также имеются свои особенно­сти. Электробуром практически бурят при постоянной частоте вращения долота, и бурильщик не может ее регулировать. Ме­нять частоту вращения можно только заменой электробура другим двигателем, имеющим иную частоту вращения, измене­нием частоты тока или при помощи редукторов-вставок.

Изменение мощности, затрачиваемой долотом на разруше­ние пород, имеющих различные физико-механические свойства, вызывает изменение силы тока в электрической цепи, питаю­щей электробур. Это позволяет следить по показаниям ампер­метра за характером работы долота на забое, создавать опти­мальные осевые нагрузки, определять степень износа долота.

Критерий оценки эффективности применяемых параметров режима бурения.Таким критерием может служить рейсовая скорость проходки или стоимость 1 м проходки, так называе­мая экономическая скорость.

Источник