Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ факторов, влияющих на эффективность процесса очистки забоя от разрушенной породы 16
1.1. Влияние горного и дифференциального давлений 16
1.2. Влияние свойств промывочного агента 19
1.3. Влияние гидромониторной схемы промывки долот 28
1.4. Интерпретация кривых на диаграмме бурения М.Г.Бингхема 33
1.5. Классификация гидродинамических методов интенсификации процесса очистки забоя 37
2. Теоретическое исследование процесса выноса шлама из зоны долота в затрубное пространство 44
2.1. Разработка математической модели процесса выноса шлама из призабойной зоны при центральном расположении промывочных устройств шарошечного долота 44
2.2. Разработка математической модели процесса выноса шлама из призабойной зоны при работе гидромониторных долот с симметричной, асимметричной и комбинированной схемами расположения промывочных устройств 77
3. Методика и программа экспериментального исследования процесса выноса шлама из зоны долота в затрубное пространство 93
3.1. Постановка задачи исследования 95
3.2. Экспериментальная установка 99
3.3. Методика лабораторного исследования 101
3.4. Планирование эксперимента и методика обработки результатов 109
4 Экспериментальное исследование процесса выноса шлама из зоны долота в затрубное пространство 115
4.1. Результаты исследования процесса выноса шлама при центральном промывочном отверстии 115
4.2. Результаты исследования процесса выноса частиц шлама при центральной сменной насадке 122
4.3. Результаты исследования процесса выноса частиц шлама при наличии трех периферийных насадок долота 131
4.4. Результаты исследования процесса выноса частиц шлама при наличии двух периферийных насадок долота 141
4.5. Результаты исследования процесса выноса шлама при наличии одной периферийной насадки 147
4.6. Результаты исследования процесса выноса частиц шлама при наличии удлиненных насадок 153
4.7. Результаты исследования процесса выноса частиц шлама при периферийной схеме промывки долота отверстиями в лапах 168
4.8. Исследование процесса выноса шлама при работе гидромониторных долот с удлиненными насадками при их симметричном и асимметричном расположении и отверстиях в лапах 173
4.9. Результаты исследования процесса выноса частиц разрушенной породы при схеме промывки с одной периферийной вертикальной насадкой долота и асимметричном расположении шарошек 177
4.10. Исследование эффективности комбинированных схем промывки при одновременной работе периферийных удлиненных и центральной насадок 182
5. Исследование влияния геометрических параметров шарошечных долот, формы забоя, масштабного фактора и свойств промывочного агента на эффективность очистки призабойной зоны от шлама 188
5.1. Разработка стенда и методики исследования очистки призабойной зоны при работе натурных долот в габарите 190 мм 188
5.2. Исследование влияния масштабного фактора и геометрических параметров основных узлов буровых шарошечных долот на эффективность очистки призабойной зоны 194
5.3. Исследование влияния на эффективность выноса шлама степени износа вооружения и различной ориентации насадок долота 206
5.4. Исследование эффективности схем промывки с неравными по диаметру насадками 215
5.5. Исследование влияния формы забоя на процесс очистки призабойной зоны от шлама 221
5.6. Экспериментальное определение областей наиболее интенсивного вторичного измельчения шлама в призабойной зоне 230
5.7. Исследование влияния свойств промывочной жидкости на эффективность очистки призабойной зоны при различных схемах промывки шарошечных долот 235
5.8. Исследование влияния геометрических параметров подводящего канала на характеристики струй, истекающих из насадок гидромониторных долот 246
6. Исследование особенностей процесса очистки призабойной зоны при работе бурильных головок различных типов 255
6.1. Исследование эффективности процесса выноса шлама при работе колонковой бурильной головки типа 17Н-К187.3/80 МСЗ 256
6.2. Исследование эффективности процесса выноса шлама при работе керноотборной бурильной головки типа КУК-187,3/80 М 257
6.3. Исследование процесса выноса шлама из призабойной зоны при работе бурильных головок различных конструкций с открытым и закрытым кернорвателем 259
6.4. Исследование процесса выноса шлама при работе бурильной головки 21НК 187,3/80 ТКЗ 263
7. Экспериментальное исследование процесса очистки вооружения долота 2 67
7.1. Методика экспериментального исследования 269
7.2. Исследование процесса очистки вооружения при симметричной, асимметричной и центральном схемах промывки 272
7.3. Исследование процесса очистки вооружения при ориентированной схеме промывки 275
8. Промысловые исследования эффективности гидромониторных долот и долот с центральной схемой промывки в условиях месторождений Восточной Украины и Башкирии 280
8.1. Методика промыслового исследования 280
8.2. Промысловые исследования эффективности гидромониторных долот в условиях песчано-глинистых пород Шебелинского газового месторождения 283
8.3. Результаты промыслового исследования эффективности гидромониторных долот в условиях карбонатных пород месторождений Башкирии 292
8.4. Влияние параметров промывки на износ шарошечных долот в различных геологических условиях 296
8.5. Анализ результатов промыслового исследования 299
9. Промысловые исследования эффективности различных схем промывки гидромониторных долот при роторном и турбинном бурении в условиях месторождений Самарской, Оренбургской областей и Белоруссии 306
9.1. Промысловые исследования при роторном и турбинном бурении в условиях Самарской области 306
9.2. Промысловые исследования эффективности асимметричных и комбинированных схем промывки буровых шарошечных долот в условиях месторождений Оренбургской области 316
9.3. Промысловые исследования эффективности различных схем промывки долота в условиях месторождений Белоруссии 330
10. Промысловые исследования эффективности различных схем промывки буровых долот в условиях месторождений Западной Сибири при турбинном бурении 336
10.1. Промысловые испытания асимметричных схем промывки 336
10.2. Промысловые исследования ориентированных схем промывки 337
10.3. Промысловые исследования по определению областей эффективного применения различных схем промывки на месторождениях Западной Сибири 358
11. Обобщенные рекомендации по выбору схем и режимов промывки забоя скважины в зависимости от горно-геологических условий бурения 361
Основные выводы 379
Литература 385
- Влияние гидромониторной схемы промывки долот
- Результаты исследования процесса выноса частиц шлама при наличии трех периферийных насадок долота
- Исследование влияния свойств промывочной жидкости на эффективность очистки призабойной зоны при различных схемах промывки шарошечных долот
- Промысловые исследования эффективности асимметричных и комбинированных схем промывки буровых шарошечных долот в условиях месторождений Оренбургской области
Введение к работе
Актуальность проблемы
На современном этапе развития нефтегазовой промышленности приоритетное значение приобретает проблема использования резервов, заложенных в технологических процессах бурения скважин, с целью повышения технико-экономических и качественных показателей буровых работ за счет создания новых совершенных энергосберегающих технологий.
Значительную роль в этой проблеме играют вопросы промывки забоя бурящейся скважины, которые существенным образом влияют на эффективность работы буровых долот, рациональное использование гидравлической мощности, подводимой к забою, энергетику циркуляционной системы, загрузку и условия работы наземного оборудования, в первую очередь, буровых насосоа, энергетику разрушения забоя.
Особая актуальность интенсификации процесса очистки забоя бурящейся скважины и оптимизации гидравлики буровых работ, что является единой проблемой, возникла в последние годы, когда повышение показателей работы шарошечных долот затормозилось. Это произошло как в нашей стране, так и в развитых в промышленном отношении странах по тем причинам, что потенциальные возможности, заложенные в современном гидромониторном шарошечном долоте в определенной степени исчерпаны.
Именно такое положение дел в долотостроении привело к изысканию новых путей в создании бурового породоразрушающего инструмента, а именно: к отказу от шарошечного долота в принципе и переход, или точнее, возвращение к безопорным инструментам, но в новом качестве, что представлено долотами типа СТРАТАПАКС и второй путь, предлагаемый автором, - это отказ от традиционной гидромониторной системы промывки шарошечного долота и создание новых схем промывки и новых технологических принципов реализации гидравлической мощности, подводимой к забою, и определение областей эффективности применения различных схем промывки забоя в зависимости от конкретных горно-геологических условий бурения.
В предшествующих работах считалось, что эффективность промывки забоя скважины зависит от расхода промывочной жидкости и возможностей применения гидромониторных долот при повышенных скоростях истечения жидкости из насадок. Считалось, что обеспечение достаточно высоких расходов и скоростей истечения жидкости практически гарантирует эффективное разрушение и очистку забоя, рациональную отработку буровых шарошечных долот. Считалось далее, что, если расход промывочной жидкости имеет ограничения, когда его повышение уже не дает положительных результатов, то повышение скорости истечения жидкости из насадок долот может ограничиваться исключительно возможностями энергетики циркуляционной системы и стойкостью насадок. Более того, многочисленные случаи неэффективности гидромониторных долот в целом ряде горно-геологических условий объяснялось, как правило, несовершенством применяемой технологии, недостаточными скоростями истечения или неэффективностью применения гидромониторных долот при высокооборотном бурении.
При этом схема промывки гидромониторного долота применялась во всех случаях, независимо от горно-геологических условий, условий и характеристик образующегося на забое шлама, его количества, типоразмера применяемых долот, параметров их вооружения и других факторов. В результате схема и энергетика промывки забоя не были связаны с условиями его разрушения, что обусловило
отсутствие серьезной научной базы выбора и проектировании схем промьіві буровых долот в зависимости от горно-геологических условий, типа вооружен размера и внешней конфигурации буровых долот.
Нерешенность этих фундаментальных проблем определила цели и зада1-настоящей работы.
Цель работы - повышение технико-экономических показателей бурения эффективности использования подводимой к забою гидравлической мощности : счет научно обоснованного выбора и проектирования гидравлических схем буровь шарошечных долот в зависимости от горно-геологических условий проводи скважин, типоразмера буровых долот и режимов промывки забоя.
Основные задачи работы
-
Исследование процесса очистки забоя бурящейся скважины в различнь горно-геологических условиях и определение относительного влияния на этс процесс очистки поверхности забоя, очистки призабойной зоны и очисти вооружения долота, выявление факторов, влияющих на каждый из указаннь частных процессов очистки и их воздействия на суммарные характеристик процесса очистки забоя в целом.
-
Исследование влияния природных и технико-технологических факторов, также схем промывки буровых шарошечных долот на эффективность протекани частных процессов очистки забоя и их относительного влияния на условия отработк буровых долот.
-
Исследование механизма протекания процессов очистки призабойной зоны вооружения долота в зависимости от основных технологических параметров, первую очередь, от расхода промывочной жидкости, скорости истечения жидкости и насадок, скорости вращения долота и количества шлама, поступающего призабойную зону для эвакуации при различных схемах промывки буровы шарошечных долот.
-
Определение наиболее эффективных схем промывки буровых шарошечны долот с точки зрения целенаправленного управления каждым их трех частны процессов очистки забоя применительно к конкретным горно-геологическиї условиям проводки скважин.
-
Определение рациональных режимов промывки забоя применительно выбранным схемам промывки буровых шарошечных долот и горно-геологическиї условиям проводки скважин.
-
Разработка рекомендаций по выбору и проектированию схем промывю буровых долот в зависимости от их вооружения, размера и других конструктивны особенностей.
-
Разработка рекомендаций по геометрическим параметрам и конфигурациі буровых шарошечных долот с точки зрения их гидродинамического совершенств; применительно к задачам эвакуации шлама из зон долота и очистки его вооружени: от сальника.
-
Разработка методов управления процессами очистки забоя в зависимости о горно-геологических условий проводки скважин.
-
Разработка методических основ, методик и технических средств длі исследования процесса очистки призабойной зоны от шлама и вооружения долот; от сальника для проведения сравнительной оценки различных схем промывки і типоразмеров долот с точки зрения эффективности протекания указанны: процессов.
10. Разработка математических моделей очистки призабойной зоны от шлама для долот с различными схемами промывки.
Методы исследования
Методы исследования выбирались и базировались на создании специально разработанных методик и экспериментальных установок, обеспечивающих изолированное и целенаправленное изучение процессов очистки призабойной зоны и вооружения долота, широких промысловых исследованиях и испытаниях буровых шарошечных долот с новыми схемами промывки и измененными геометрическими параметрами в различных горно-геологических условиях с применением математических методов планирования интерполяционных экспериментов, регрессионного анализа получаемых экспериментальных результатов, использования ЭВМ, скоростной киносъемки исследуемых процессов, других современных методов проведения и обработки результатов эксперимента, математических методов моделирования физических процессов, связанных с очисткой призабойной зоны от шлама.
Научная новизна
Разработан принципиально новый подход к проблеме очистки забоя бурящейся скважины, основанный на выделении трех совершенно различных по своей физической природе и механизму протекания процессов, а именно: процесса очистки поверхности забоя от прижатого к нему дифференциальным давлением шлама (1-й процесс очистки), процесса очистки призабойной зоны от взвешенного в зоне долота шлама, движущегося под действием потоков жидкости в зоне долота (2-й процесс очистки) и процесса очистки вооружения долота от налипающего и запрессованного в межзубцовых и межвенцовых пространствах масс шлама (3-й процесс очистки). Установлены основные физические закономерности протекания 2-го и 3-го процессов очистки и факторы, наиболее значительно влияющие на эти процессы. Произведено разделение этих факторов на природные и зависящие от схем и режимов промывки забоя, а также от конструктивных особенностей буровых шарошечных долот. Показано, что схема промывки долота является наиболее значимым фактором, определяющим протекание всех трех процессов очистки забоя в отличие от ряда других факторов, действие которых может не проявляться в конкретных горно-геологических условиях. На основании обширного экспериментального и теоретического исследования установлено, что гидромониторная схема промывки буровых шарошечных долот оказывает положительное влияние на протекание процесса очистки поверхности забоя и отрицательное влияние на процесс очистки призабойной зоны от шлама.
Разработанный подход к проблеме очистки забоя, основанный на выявлении доминирующего в данных горно-геологических условиях частного процесса очистки, позволил обосновать принципы выбора схем промывки в зависимости от условий бурения. В свою очередь эти принципы обусловили новый подход к проектированию схемы промывки в зависимости от типа вооружения долота, поскольку тип вооружения долота в значительной степени предопределяет последующие условия его отработки и характер образующегося шлама. Это, как показано в работе, позволяет на стадии проектирования буровых шарошечных долот определить, какой из трех частных процессов очистки забоя может являться доминирующим.
В работе показано далее, что практически не встречаются условия, при которых все три процесса очистки одновременно и в одинаковой степени ограничивают показатели работы буровых шарошечных долот. В связи с этим схема промывки
долота, как правило, должна предусматривать выполнение не всех трех, а лиші двух функций, например, предупреждение сальникообразования и очистк) призабойной зоны, или очистку призабойной зоны и отрыв шлама от поверхност* забоя. Для выполнения этих функций в работе предложены различные схемь промывки, которые могут быть реализованы в современных буровых долотах.
Определены области эффективного применения новых схем промывки буровы) долот в зависимости от горно-геологических условий проводки скважин.
Показано, что очистка вооружения может осуществляться практически толькс гидравлически посредством реализации на долоте специальных новых схег, промывки, а эффективной «самоочистки» вооружения долот не существует.
Разработаны рекомендации по изменению внешней конфигурации долот ( целью эффективного транспорта шлама из призабойной зоны в затрубное пространство.
В работе показано, что при правильно выбранной схеме промывки появляета возможность существенно снизить потребные скорости истечения жидкости и: насадок долота. Это дает возможность рационально перераспределить гидравлическую мощность между долотом и забойным двигателем, снизив давление на буровых насосах.
Разработаны новые методы для прогнозирования и управления процессоїи очистки забоя применительно к конкретным горно-геологическим условиям основанные на разработанных в работе новых принципах.
Основные защищаемые положения
-
Принципы управления процессом очистки забоя бурящейся скважины основанные на раздельном управлении тремя различными по своей физической природе процессами очистки, а именно: процессом очистки поверхности забоя (отрывом шлама от поверхности забоя), процессом очистки призабойной зонь (выносом шлама из зоны долота в затрубное пространство) и процессом очистки вооружения долота (предотвращением образования сальника на вооружении долота).
-
Принципы анализа геологического разреза месторождений с целые определения доминирующего процесса очистки забоя и выбора схем промывки буровых долот, соответствующих данному разрезу.
-
Методы выбора схем промывки буровых шарошечных долот с целые целенаправленного управления отдельными процессами очистки забоя, в том числе при их взаимодействии.
-
Принципы проектирования гидравлических систем и внешней конфигурации буровых долот, обеспечивающих соответствие схемы промывки долот' типу их вооружения.
-
Принципы выбора режимных параметров промывки забоя в зависимости от схемы промывки буровых шарошечных долот и условий образования шлама в различных горно-геологических условиях проводки скважин.
-
Конструктивные схемы промывки буровых шарошечных долот, целенаправленно воздействующие на отдельные частные процессы очистки забоя.
-
Принципы создания математических моделей очистки забоя для различных схем и условий промывки.
Практическая ценность и реализация работы в промышленности
Положения, разработанные в диссертации, широко используются в настоящее время при выборе и проектировании схем промывки буровых шарошечных долот как у нас в стране-, так и за рубежом, Эти положения использованы при разработке серийных буровых шарошечных долот основного применения, таких как 111215,9 М-ГВ-1, 111215,9 М-ГВ-2, 111215,9 М -ГЇГВ, 111215,9 С-ГВ-1, 111215,9 С-ГВ-2, 111215,9 С-ГН-4, 111215,9 С-ЦГВ, 111215,9 МЗ-ГВ-2, 111215,9 МЗ-ГВ-3, 111215,9 МЗ-ЦГВ-МЭб, 111215,9 МСЗ-ГН-1, 111215,9 СЗ-ГВ, 111215,9 СЗ-ГВ-1, 111215,9 СЗ-ГВ-2, N1393,7 М-ГВ, 111393,7 С-ГВ, 111393,7 СЗ-ГВ, 111393,7 С-ЦГВ, 111393,7 М-ЦГВ, в долотах 111215,9 МЗ-ГВ-ЗМ, 111215,9 МЗ-ГВ-4, III444.5 С-ГВ, а также в целом ряде других буровых долот отечественного и зарубежного производства.
За работу «Создание и промышленное внедрение долота III 215,9 МЗ-ГВ-3 с асимметричной схемой промывочных гидромониторных узлов, обеспечившего зысокий прирост производительности труда буровых бригад» автору присвоено звание «Лауреат премии Миннефтегазпрома СССР» за 1990 г., за цикл работ .(Гидродинамические методы интенсификации буровых процессов» - звание тауреата премии имени академика И.М.Губкина.
Апробация работы
Основные положения работы докладывались и обсуждались на Всесоюзных ;еминарах по гидравлике буровых и цементных растворов в г.Краснодаре (1969г.), в .Октябрьском (1971г.), в г.Гомеле (1973г.), в г.Ивано-Франковске (1975 г.), .Астрахани (1979г.), г.Ивано-Франковске (1984г. и 1988г.), Всесоюзных гаординационных совещаниях по породоразрушающему инструменту с 1972 по 1990г.г., на XIII Мировом Нефтяном конгрессе (Аргентина, 1991г.), Всероссийской шумной конференции «Фундаментальные проблемы нефти и газа» в г. Москве 1996т.), Международной конференции «Энергия для нового тысячелетия» в г. 1овый Орлеан (США, 2000г.). Основные положения работы вошли также в курс іекций на курсах повышения квалификации работников бурения в УНГ им. 1.М.Губкина, где автор читал лекции по этим проблемам с 1985г. по 1992г.
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 53 работах, в ом числе одной монографии и 10 авторских свидетельствах.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 11 разделов, выводов, библиографии, ключающей \ъ& наименований. Работа изложена на 276 страницах учитываемого іашинописного текста, включает 81 рисунок и 54 таблицы.
Автор выражает благодарность Т.Г.Агошашвили, И.К.Бикбулатову,
!.Л.Богданову, В.П.Браженцеву, И.Н.Буяновскому, Ю.Р.Иоанесяну,
і.П.Константинову, Г.А.Кораблеву, В.И.Липатову, Ю.С.Лопатину, И.Б.Малкину, І.Р.Мавлютову, А.Г.Мессеру, А.Х.Мирзаджанзаде, А.П.Пестрову, Г.П.Чайковскому, .И.Щеголевскому, С.А.Ширин-заде за большую помощь в обсуждении, анализе и еализации результатов работы. Особую признательность автор выражает своему ервому Учителю, одному из основоположников отечественной буровой гидравлики .И.Мительману.
Влияние гидромониторной схемы промывки долот
Картина движения жидкости по забою и в призабойной зоне существенно изменяется при использовании гидромониторных долот. Объясняя причины высокой эффективности этих долот, все большее количество исследователей обращается к рассмотрению поперечных потоков, возникающих при растекании по забою струй промывочной жидкости, истекающих из насадок [5, 87, 97, 111, 132 и др.].
Согласно [5, 132, 133] именно этим потоком принадлежит решающая роль в улучшении условий отрыва частиц шлама от поверхности забоя. Это мнение основывается на том, что гидромониторные струи оказывают динамическое воздействие лишь на относительно небольшой кольцевой участок на периферии забоя, в то время как значительно большая центральная часть его не подвергается воздействию ударной волны (рис. 1.8). При одновременном действии трех струй, истекающих из насадок, установленных на периферии долота, при имеющих место в практике бурения скоростях истечения, диаметрах насадок и долот, воздействию поперечных потоков подвергается практически вся площадь забоя [4].
Динамического давления затопленных струй даже при высоких скоростях истечения, как правило, недостаточно для преодоления сопротивления горных пород сжатию [5, 9, 133, 134], поэтому размыв пород под воздействием вертикально направленных струй в практике бурения может иметь место лишь в случае разбуривания очень мягких пород, которые встречаются весьма редко (например, ряд месторождений Тюменской обл.).
На основании лабораторного эксперимента Р.Г.Арзуманов и др. показали [5], что под действием поперечных потоков касательный размыв некоторых категорий пород происходит достаточно интенсивно, так как сопротивление сдвигу большинства горных пород во много раз меньше сопротивления сжатию.
Маклин [133, 134] показал, что профиль скоростей V(y) поперечного потока может быть построен, исходя из соотношения пропорциональности: где Q - расход промывочной жидкости, Vn - скорости ее истечения из насадок, D - диаметр скважины, у - расстояние от забоя.
Исходя из этого, он нашел, что кинетическая энергия поперечного потока Е пропорциональна: а касательное напряжение (в предположении, что справедливо уравнение Блазиуса):
На рис.1.9 показан профиль скоростей поперечного потока в функции расстояния от поверхности забоя. Как видно, максимальная скорость поперечного потока имеет место на расстоянии порядка 1-2 мм от поверхности забоя, а толщина самого слоя составляет величину около 5 мм, что корреспондируется с результатами работ [5, 11, 95, 97] .
Необходимо отметить, однако, что указанный профиль скоростей поперечного потока получен для модели забоя, т.е. гладкой его поверхности. В условиях реального забоя характеристики потоков в непосредственной близости от его поверхности будут, по-видимому, несколько иными.
Основываясь на лабораторных данных, некоторые авторы [5, 123, 132, 145 и др.] рекомендуют приближать насадки к забою для интенсификации воздействия ударной волны и, главное, поперечных потоков. Однако по данным Бингхема [9] приближение насадок к забою в промысловых условиях не всегда приводит к благоприятным результатам. Более того, он приводит примеры снижения показателей при использовании удлиненных насадок.
Объяснение этим противоречивым результатам могут, на наш взгляд, дать работы Финстра и Ван Лиуэна [132], которые показали, почему в мягких и средних по крепости породах применение гидромониторных долот существенно более эффективно, нежели в условиях твердых и крепких пород. Одним из важнейших факторов, определяющих высокую эффективность гидромониторных долот в мягких и средних породах, является предотвращение сальникообразования на долоте или третий процесс очистки забоя. Приближение насадок к забою, увеличивая силу удара струи о забой и скорость поперечных потоков, благоприятно сказывается на условиях очистки забоя.
Вместе с тем, при разбуривании мягких пород на величину механической скорости в не меньшей степени влияет и образование сальника на долоте. При использовании удлиненных насадок интенсивность турбулизации жидкости в области долота заметно снижается, что облегчает образование сальника на долоте.
Это обстоятельство, по-видимому, и является объяснением отрицательных результатов приближения насадок к забою, о которых сообщает Бингхем.
Предотвращение сальникообразозания, по-видимому, может быть достигнуто и путем более рациональной организацией потока, применением закрученных при выходе из насадок струй жидкости [61] и специальной ориентацией насадок [49, 50].
При разбуривании гранита и крепкого известняка Финстра и Ван Лиуэн получили только за счет приближения насадок к забою прирост скорости проходки на 15% и 50% соответственно.
Основываясь на результатах своего эксперимента [132], авторы делают вывод, что приближение насадок к забою может дать положительный эффект только в том случае, когда процесс сальникообразования на долоте практически не имеет места и основной задачей является очистка непосредственно забоя скважин, т.е. при разбуривании твердых и крепких пород, что небесспорно.
Результаты исследования процесса выноса частиц шлама при наличии трех периферийных насадок долота
Данный эксперимент отличался от остальных тем, что вариации подвергались четыре входных параметра (эксперимент типа 24) : скорость вращения долота, расход промывочной жидкости, скорость подачи частиц и скорость истечения жидкости из насадок долота. Таким образом, скорость истечения из насадок долота и расход жидкости были независимы, что достигалось постановкой сменных насадок соответствующих внутренних диаметров.
Итоговые результаты опытов приведены в табл.4.3 и на графиках 4.9-4.12. Уравнения регрессии имеют вид:
при 50 п 200 об/мин
Иі = 79,5+1,6n +4,5W -2,5n Q +l,2V W +2,2n Q W , при 200 п. 600 об/мин
И2 = 81,3-l,7Q +2,6W +l,7Q W -l,2n Q W .
Из уравнений регрессии следует.
1. Общий уровень измельчаемости частиц значительно выше, чем при использовании долот с центральными схемами промывки.
2. Большинство коэффициентов регрессии незначимо, т.е. входных параметров, и их взаимодействия не оказывают влияния на процесс.
3. При малых скоростях вращения долота:
а) с ростом скорости вращения происходит некоторый рост измельчаемости частиц. Такая же зависимость наблюдается и между измельчаемостью и скоростью истечения жидкости из насадок, однако, влияние на процесс выноса скорости истечения заметно больше, чем скорости вращения;
б) практически не влияют на процесс ни расход промывочной жидкости, ни скорость подачи частиц;
в) из взаимодействий параметров на процесс влияют только три: скорости вращения долота и расхода жидкости, скорости подачи частиц и скорости истечения, а также тройное взаимодействие скорости вращения долота, расхода жидкости и скорости истечения ее из насадок долота.
4. При высоких скоростях вращения долота:
а) скорость вращения долота и скорость подачи частиц не влияют на процесс;
б) влияние на процесс оказывает, в основном, скорость истечения жидкости, расход также влияет на вынос частиц, однако, заметно меньше, чем скорость истечения;
в) из взаимодействующих параметров значимыми оказались только два: расход жидкости и скорость истечения, а также тройное взаимодействие скорости вращения долота, расхода жидкости и скорости ее истечения из насадок долота.
Объяснения найденным закономерностям процесса выноса частиц из призабойной зоны при периферийной промывке долота с тремя насадками можно дать, исходя из анализа материалов скоростной киносъемки процесса.
Основное, важнейшее отличие процесса выноса частиц при периферийной схеме промывке от центральной, выразившееся в резком увеличении уровня измельчаемости, вызвано следующими причинами.
При вращении трех периферийных насадок долота создается почти непреодолимый заслон - завеса, образованный вращающимися струями жидкости. Струи непрерывно отражают частицы, поднимающиеся с забоя снова на забой, где происходит вторичное измельчение. Более мелкие частицы снова поднимаются с забоя и уже с большей вероятностью проникают между струёй и кромкой лапы долота наверх в затрубное пространство. Витание в зоне долота приводит к тому, что время выноса частицы от поверхности забоя через область лап долота существенно возрастает. При этом частица, как правило, не успевает проскочить эту область за время поворота лапы на 120 или менее градусов, что вызывает массовое попадание частиц в зазор между спиной лапы долота и стенкой скважины, где частицы подвергаются вторичному измельчению. Резкое увеличение числа частиц, попадающих в указанный зазор по сравнению с центральной схемой промывки, наглядно видно не только из материалов киносъемки процесса выноса частиц, но и из наблюдения за следами разрушенных частиц на прозрачном забойном проставке экспериментальной установки.
Если при центральной схеме на забое появляются лишь отдельные полосы, то при периферийной схеме промывки за один - два опыта практически вся нижняя часть проставка окрашивается в ярко оранжевый цвет частиц.
Отсутствие влияния расхода жидкости при малых скоростях вращения долота может быть объяснено действием мощного струйного заслона, влияние которого растет по мере увеличения скорости вращения долота. При этом увеличение расхода жидкости и связанное с ним увеличение скорости подъема частиц жидкости не может проявиться, ввиду непрерывного отражения частиц струями.
Воздействие струйного заслона на поднимающиеся частицы до сих пор росло за счет уменьшения времени, которое отводилось частице для прохода вверх между струёй и кромкой лапы. При дальнейшем повышении скорости вращения свыше 2 00 об/мин указанный промежуток времени становится настолько мал, что частица практически не может успеть подняться за это время на необходимую ("безопасную") высоту, встречается со струёй и отражается или на забой, или попадает в зазор между спинкой лапы долота и стенкой скважины, где измельчается. В связи с этим обстоятельством, увеличение скорости вращения уже не может еще более ухудшить условия выноса частиц из зоны долота, и после значений скорости вращения порядка 200 об/мин, не происходит заметного увеличения измельчаемости частиц с ростом скорости вращения.
Влияние расхода жидкости на процесс выноса частиц при больших скоростях вращения долота объясняется, по-видимому, следующими причинами.
Во-первых, следует напомнить, что уравнения регрессии, а точнее его коэффициенты, дают возможность, в основном, сравнительной оценки вклада каждого входного параметра в изменение значения вектора выхода. Поэтому, если в первом диапазоне скоростей вращения расход оказался незначим, то это означает только то, что вклад его в изменения вектора выхода мал по сравнению с другими факторами, например, скоростью вращения и скоростью истечения жидкости, а не то, что влияние расхода отсутствует совершенно. Увеличение скорости подъема частиц с увеличением расхода жидкости приводило в этом диапазоне скоростей вращения долота к изменениям процесса выноса частиц несколько меньшим, нежели изменение скорости вращения от 20 до 230 об/мин. В диапазоне высоких скоростей вращения, когда последняя уже не может повлиять на процесс, расход промывочной жидкости начинает играть некоторую роль по сравнению со скоростью вращения, хотя роль эта по-прежнему весьма невелика.
Довольно значительное влияние скорости истечения жидкости из насадок долота легко понять из предыдущего изложения. Чем выше скорость истечения, тем с большей силой частица отбрасывается на забой или отражается по направлению к зазору между спинкой лапы долота и стенкой скважины - других направлений отражения нет. Кроме того, как показал анализ киноматериала, истекающие с высокой скоростью струи жидкости создают в зоне долота мощные вихри, которые имеют место и в практически единственной области, где частица может пройти наверх беспрепятственно: между кромкой лапы и струёй. Ввиду этого единственный путь выхода частицы становится также труднопроходимым, так как частица может оказаться снова на забое или быть задержана в указанной области даже без соударения с элементами долота или со струёй, истекающей из насадки. Особенно наглядно такие вихри видны при использовании насадок малых диаметров, когда сама по себе струя не занимает значительного объема, но при высоких скоростях истечения создает мощные вихри за счет взаимодействия с отраженным потоком также достаточно высоких энергий. Естественно, что увеличение скорости струи интенсифицирует указанные факторы весьма нежелательные с точки зрения условий выноса частиц из зоны долота в затрубное пространство. Данные экспериментального исследования хорошо согласуются и легко объясняют результаты промысловых испытаний гидромониторных долот, где также был получен рост вторичной измельчаемости частиц шлама с ростом скорости истечения.
Исследование влияния свойств промывочной жидкости на эффективность очистки призабойной зоны при различных схемах промывки шарошечных долот
Влияние свойств промывочного агента на эффективность очистки поверхности забоя, как рассматривалось выше, является определяющим. В то же время как свойства промывочной жидкости влияют на второй процесс очистки - вынос шлама из призабойной зоны предстояло установить в специальных экспериментальных исследованиях.
Для сравнения в качестве промывочного агента был принят глинистый раствор, а в качестве базы - результаты проведенных экспериментальных исследований при промывке водой на основных схемах промывки долота.
Такими схемами являются обычная гидромониторная схема промывки и центральная схема промывки долота, как наиболее распространенные. Для получения дополнительного объема экспериментальных данных было принято решение о проведении также опытных работ на одной из асимметричных схем промывки, а именно, схем с двумя обычными периферийными насадками.
Ввиду невозможности проведения скоростной киносъемки процесса выноса шлама из призабойной зоны при использовании глинистого раствора данные о вторичной измельчаемости шлама при различных схемах промывки долота и сочетаниях режимных параметров были основными показателями для оценки эффективности той или иной схемы расположения промывочных устройств с точки зрения очистки призабойной зоны от частиц разрушенной породы.
Во всех экспериментах промывка забоя скважины осуществлялась глинистым раствором удельного веса 1,06-1,07 г/см3 при вязкости по СПВ-5, равной 20,5 с, структурной вязкости Ц = 0,041 пуаз, динамическом напряжении сдвига То =19,8 дин/см2.
Программа эксперимента была аналогична программе эксперимента на этой же схеме при использовании в качестве промывочного агента воды [1].
А. Результаты измерений, проведенных в процессе эксперимента на долоте, имеющем центральное промывочное отверстие, приведены в табл.5.9.
Уравнения регрессии, полученные на основании результатов измерений, имеют следующий вид.
Для диапазона скоростей вращения долота 50 п 200 об/мин: Щ = 17,8 + 6,3n -2,lQ -2,ln 2-2,4W 2.
Для диапазона скоростей вращения долота 200 п 500об/мин: И2 = 25,l+4,4n -4,0Q +l,0W -l,2n Q -2,2n W +l,5Q W .
В диапазоне низких скоростей вращения долота уровни измельчаемости шлама при промывке глинистым раствором и водой совпали (17,8% и 17,0%). Совершенно аналогичным оказалось и влияние различных режимных параметров на процесс выноса шлама, о чем свидетельствуют сравнение коэффициентов при кодированных значениях режимных параметров. В обоих случаях максимальным было влияние скорости вращения долота, причем с ростом скорости вращения росла и измельчаемость. Вторым по значимости параметром являлся расход промывочной жидкости, причем с ростом расхода, измельчаемость снижалась. Как и при промывке водой, наименьшее влияние на процесс оказывала скорость проходки (скорость подачи шлама) , причем в обоих случаях с ростом скорости проходки измельчаемость несколько уменьшалась.
Идентичность результатов, полученных при промывке забоя глинистым раствором и водой, хорошо видна из рассмотрения графиков зависимости вторичной измельчаемости от каждого из режиимных параметров (рис. 5.3 - 5.5).
При переходе к диапазону высоких скоростей вращения в особенностях процесса выноса шлама произошли некоторые изменения. Во-первых, общий уровень измельчаемости составил всего 25,1% против 43% при промывке водой. Более благоприятные условия выноса шлама в данном случае могут быть объяснены несколько лучшей выносной способностью глинистого раствора за счет большего, чем у воды, удельного веса. По-видимому. Эти качества проявляются, в основном, при высокой скорости вращения, когда условия выноса шлама усложняются. При относительно спокойных условиях выноса, имеющих место при низких скоростях вращения, эти свойства глинистого раствора проявиться не могут.
В то же время характер влияния режимных параметров на процесс не претерпел никаких изменений по сравнению с промывкой водой. Так, по-прежнему, с ростом скорости вращения и скорости подачи шлама измельчаемость растет, а с увеличением расхода - снижается. Причем сохранилось и относительное влияние параметров. Скорость вращения и расход промывочной жидкости влияют на процесс приблизительно одинаково, а влияние скорости подачи шлама весьма мало.
Таким образом, единственным отличием результатов, полученных при промывке глинистым раствором, явилось снижение общего уровня измельчаемости в диапазоне высоких скоростей вращения долота. Анализ результатов измерений, проведенных в обоих экспериментах на отдельных режимах, показал, что снижение уровня измельчаемости при промывке глинистым раствором связано с отсутствием скачков значений измельчаемости, наблюдавшихся на некоторых режимах при промывке водой. Эти скачки имели место при максимальных значениях скорости вращения и одновременно минимальных расходах жидкости, которые существенно меньше технологически необходимых.
В этом случае условия выноса шлама при промывке водой, были, естественно, наихудшими. На этих режимах измельчаемость шлама при промывке глинистым раствором также была значительной, но столь резкого роста вторичной измельчаемости не наблюдалось. Это явление, как уже указывалось, может быть объяснено лучшей выносной способностью глинистого раствора по сравнению с водой. Если же оценить уровень измельчаемости при промывке водой без этих режимов (где 2« 2техн) / то он окажется также, как и на глинистом растворе, порядка 24-27 .
Б. Результаты исследования процесса выноса шлама из призабойной зоны при работе гидромониторного долота о тремя периферийными насадками и течении глинистого раствора приведены в табл. 5.10.
Уравнения регрессии, полученные на основании результатов измерений, имеют следующий вид.
Для диапазона скоростей вращения долота 50 п 200 об/мин: Иі = 76,5+l,0n -0,6Q +9,4W +3,5n Q +l,5n W -5,0n Q W .
Для диапазона скоростей вращения долота 200 п 600 об/мин: И2 = 78,2+3,4n +12,9W -l,3n W -l,3n Q .
Главный результат эксперимента, проведенного при промывке глинистым раствором, заключается в том, что получено совпадение значений вторичной измельчаемости при экспериментах с промывкой как раствором, так и водой. Так, в диапазоне низких скоростей вращения долота уровень измельчаемости составил 76,5%, а при промывке водой 79,Ь%, а в диапазоне высоких скоростей вращения 78,2% и 81,3-І- соответственно. Расхождения полученных значений находятся внутри ошибки эксперимента.
Анализ влияния отдельных параметров на процесс выноса шлама дает основания считать, что изменения в характере этого влияния не являются принципиальными. Действительно, в обоих диапазонах скоростей вращения долота наибольшее влияние на процесс оказывает скорость истечения промывочной жидкости из насадок гидромониторного долота. Причем с ростом скорости истечения, растет и вторичная измельчаемость шлама. Аналогичная картина имела место и при использовании в качестве рабочего агента воды.
Существенно меньшее влияние оказывали скорость вращения и расход промывочной жидкости, причем с ростом скорости вращения измельчаемость несколько увеличивалась, а с ростом расхода - снижалась . Эти же закономерности наблюдаются и при промывке глинистым раствором. Однако следует заметить, что общее влияние расхода при использовании в качестве рабочего агента воды было несколько выше.
Промысловые исследования эффективности асимметричных и комбинированных схем промывки буровых шарошечных долот в условиях месторождений Оренбургской области
Дальнейшим этапом промысловых исследований эффективности различных схем промывки буровых шарошечных долот явились исследования, проведенные в Оренбургской области.
Целью этих исследований было определение эффективности тех схем промывки, которые показали высокую эффективность при проведении лабораторных исследований. В первую очередь это относится к асимметричным и комбинированным схемам.
Для обеспечения скоростей истечения из насадок долота в широких пределах и определения влиянии этого важнейшего показателя промывки забоя на механическую скорость бурения, проходку на долото и характер износа долот опытное бурение в Оренбургской области предусматривало использование американских насосов КОНТИНЕНТАЛЬ-ЭМСКО и специальную схему очистки буровых растворов.
Бурение проводилось в Сорочинском УБР производственного объединения "Оренбургнефть".
На разведочной буровой № 23-Веселовская было смонтировано американское насосное оборудование дополнительно к насосному оборудованию, принятому в объединении при бурении глубоких разведочных скважин, а именно: два насоса У8-6М с обычной в объединении желобной системой. Дополнительно было смонтировано два вибросита.
Бурение велось с установки УРАЛММІ-ЗД роторным способом. Частота вращения ротора составляла 65 об/мин.
Опытное бурение было начато с глубины 3000 м при проекте 4750 м. Нагрузка на долото и расход составляли соответственно 16-20 т и 18-28 л/с по принятой в объединении технологии.
Программа опытных работ технологического характера для скважины № 23 была ограничена пуском отдельных серийных долот с измененной схемой промывки и специально изготовленных Экспериментальным заводом ВНИИБТ: долот типа 111215,9 СЗ ГНУ-1 с комбинированной схемой расположения промывочных устройств. Другой задачей промысловых исследований в этом регионе явилось накопление опыта работы в условиях Оренбургской области, изучение разреза и сопоставимого материала, применяемой техники, состояния парка турбобуров, труб, наземного оборудования и многочисленных сопутствующих вопросов, связанных как с технико-технологическими, так и организационными вопросами проводки скважин на площадях Сорочинского УБР.
Ввиду отсутствия сопоставимых данных по разведочной скважине № 23-Веселовская, на которой проводились опытные работы, программа предусматривала последовательный спуск долот с различными схемами промывки, а также последовательное изменение режима промывки, в том числе в процессе одного рейса долота. Правомерность такой постановки опытных работ обусловливается весьма однородным разрезом месторождений Оренбургской области, который меняется через весьма значительные интервалы глубин. Внутри этих интервалов и проводились последовательные спуски долот и изменения режима промывки забоя.
На основании значительного объема лабораторных исследований эффективности различных схем расположения и конструкции промывочных устройств трехшарошечных буровых долот было, в частности, установлено, что одной из наиболее перспективных схем промывки гидромониторного долота является комбинированная схема. Эффективность такой схемы расположения промывочных устройств может объясняться положительным воздействием на все три вида очистки, а именно: очистку поверхности забоя от прижатого дифференциальным давлением шлама, очистку призабойной зоны от взвешенного шлама и очистку вооружения долота от сальника. Напомним, что гидромониторная схема предопределяет противоречие, которое заключалось в том, что повышение скорости истечения положительно сказывается на очистке поверхности забоя и вооружении долота, но приводит к ухудшению условий выноса шлама. Комбинированная схема промывки устраняет это противоречие. Объяснение этому результату и более подробные сведения о механизме выноса шлама при рассматриваемой схеме промывки приведены выше.
В связи с этим возникла настоятельная необходимость промысловой проверки полученных в лабораторных условиях выводов, причем важным условием проведения промысловых работ явилась реализация на долоте с новой схемой промывки широкого диапазона перепадов давлений, что позволило бы в полной мере определить область эффективного применения такой схемы промывки и ее потенциальные возможности.
Второй важной технологической проблемой, подлежащей разрешению, является проблема рациональных расходов промывочной жидкости, необходимых для эффективной очистки забоя бурящейся скважины. Эта проблема является особенно актуальной при роторном бурении, когда расход промывочной жидкости выбирается только, исходя из технологических требований забоя и скважины, а в условиях, имеющих место на месторождениях Оренбургской области и им аналогичных, практически только, исходя из требований эффективной очистки забоя. Последнее обстоятельство объясняется относительной крепостью пород, слагающих разрезы месторождения и отсутствием проблем, связанных с размывом и неустойчивостью стенок ствола скважины, а также относительно небольшими объемами шлама, транспортируемыми по стволу, ввиду мальхх скоростей проходки.
Программа промысловых исследований предусматривала, таким образом, решение двух указанных выше технологических задач.
Опытные долота с комбинированной системой промывки были разработаны совместно с Экспериментально-исследовательским отделом по долоту на базе гидромониторного трехшарошечного долота Ш-215,9 СЗ ГНУ. Отличием опытного долота от указанного явились два узла, а именно: узел размещения центральной насадки и узел бобышки одной из лап, в которой расположена насадка.
Для реализации комбинированной схемы промывки в центральной части долота был предусмотрен гидравлический канал с узлом крепления центральной насадки. Последняя устанавливалась в специальном стакане, имеющем продольные распорки для крепления при завинчивании в переводник от осевого перемещения. Проведенные ранее [39] промысловые исследования эффективности гидромониторных долот с асимметричной схемой промывки наряду с положительными результатами, полученными на этих долотах, показали также, что простое заглушение одной насадки не всегда правомерно. Это относится к условиям бурения при высоких механических скоростях, когда эвакуации из зоны долота подлежат большие массы шлама и свободный проем, в котором отсутствует насадка, не всегда обеспечивает беспрепятственный вынос частиц разбуренной породы в затрубное пространство. Это предопределило необходимость проектирования комбинированной асимметричной схемы промывки таким образом, чтобы существенно увеличить полезное сечение свободного от насадки проема между лапами долота. Для решения этой задачи одна из бобышек лапы, в которой насадка не предусмотрена, была полностью убрана. Это позволило увеличить полезное сечение свободного проема более, чем на 50%.
Требования к качеству и свойствам бурового раствора в данном районе определяются относительной простотой разреза, отсутствием аномально высоких давлений и склонных к поглощениям горизонтов. Ввиду оговоренных выше характеристик пород, слагающих разрез, практически не возникают проблемы, связанные с устойчивостью стенок скважины, что в свою очередь, предопределяет отсутствие жестких требований и к реологические параметрам бурового раствора. Так, в течение всего опытного бурения до глубины 3500 м вязкость раствора по СПВ колебалась в диапазоне от 30 до 45-50 с, а удельный вес от 1,20 до 1,30 г/см3. Обработка велась ССБ и КМЦ, утяжеление -баритом.
На скважине были отработаны долота с новой схемой промывки. Одно долото, работавшее в интервале 3672-3685 м было поднято недоработанным для проведения незапланированного каротажа скважины и других геофизических работ. Остальные долота были отработаны в следующих интервалах: 3226-3256 м, 3499-3535 м, 3620-3652 м, 3794-3820 м.