8.2. Вплив параметрів режиму буріння та інших факторів на механічну швидкість буріння

Механічна швидкість буріння є функцією багатьох змінних. При відомих властивостях гірських порід механічна швидкість характеризує ефективність руйнування їх, правильність підбору і відробки доліт, способу буріння і режимних параметрів, величину підведеної на вибій потужності і її використання. Якщо в однакових породах і інтервалах однієї свердловини швидкість нижче, ніж в інший, треба поліпшувати режим буріння.

Розглянемо, як впливають режимні параметри на механічну швидкість буріння шарошкових доліт при рівних інших умовах в початковий період роботи, коли знос озброєння і опор доліт ще не впливає на ефективність руйнування породи.

► 8.2.1. Вплив осьового навантаження на долото

Руйнування гірської породи на вибої механічним способом неможливе без створення осьового навантаження на долото. На рис. 8.1 показана залежність механічної швидкості буріння від осьового навантаження на тришарошкове до­лото при розбурюванні м'яких (крива 1), середньої твердості (крива 2), твердих (крива 3) і міцних (крива 4) порід при постійній низькій (до 2 с^-1_,) частоті обертання (≈ 60 хв^-1) та достатній секундній витраті промивної рідини за короткий проміжок часу, коли зношуванням долота можна нехтувати.

Рисунок 8.1—Вплив осьового навантаження на механічну швидкість буріння (тришарошкове долото)

Як видно з рис. 8.1, механічна швидкість буріння зростає із збільшенням осьового навантаження, але темп її росту для м'яких порід вищий ніж при руйнуванні твердих порід, так як величина заглиблення зубців при однаковому навантаженні в таких породах більша.

Навантаження на долото визначає питомий тиск у зоні контакту елемента озброєння до­лота з гірською породою, що впливає на глибину проникнення індентора в породу та інтенсив­ність її руйнування (часто приймають поглиблення за один оберт d_о). Якщо швидкість обертання долота незмінна і забезпечується достатня чистота вибою, величина механічної швидкості буріння зростає із збільшенням осьового навантаження Gд так, як це показано на рис. 8.2.

На основі аналізу залежностей механічної швидкості проходки від осьового навантаження при розбурюванні крихких або крихко-пластичних порід Л .О. Шрейнер виділив три характерних види руйнування .

Вид І. Ділянка ОА відповідає низьким осьовим навантаженням і характеризується тим, що механічна швидкість v_m збільшується прямо пропорційно осьовому навантаженню Gд. В цій області питоме навантаження (контактний тиск) менше, ніж границя втоми гірської породи, тому процес руйнування носить поверхневий характер (стирання, абразивний знос, мікросколювання, зім’яття і зсув окремих нерівностей поверхні при прослизанні зубка). При цьому утворюється дрібний шлам розміром частинок від горохоподібних до міліметрів. Такий вид руйнування називають поверхневим.

Під питомим навантаженням розуміють відношення навантаження на долото Gд до його діаметра.

Вид II. На ділянці АВ механічна швидкість збільшується з ростом осьового навантаження, але в даному випадку механічна швидкість росте швидше, ніж збільшується створюване осьове на­вантаження. Питоме навантаження при цьому менше, ніж твердість породи і недостатнє для її виколювання при однократному ударі. При повторних ударах зубків по тому ж майданчику зростає крихкість породи, виникають втомні мікротріщини, які при кожному новому ударі розвиваються углиб до тих пір, поки при черговому ударі не відбудеться виколювання.

Рисунок 8.2 − Графік залежності механічної швидкості буріння від осьового навантаження

Таким чином, руйнування породи носить об'ємний характер і відбувається внаслідок втомних явищ. Чим більше зростає осьове навантаження, тим менше ударів потрібно для руйнування. Отже, з підвищенням осьового навантаження інтен­сивність розвитку тріщин і глибина їх проникнення зростають, тобто зростає механічна швидкість буріння. Шлам за розмірами більший, ніж при поверхневому руйнуванні. Цю ділянку називають областю об'ємно – втомного руйнування (інколи – втомним руйнуванням).

Вид ІІІ. Ділянка ВС відповідає осьовим навантаженням, що забезпечують контактні тиски, вищі за твердість гірської породи у вибійних умовах. Тут відбувається об'ємне руйнування по­роди, тобто вона руйнується при кожному ударі зуба долота в поро­ду. Шлам, що утворюється при цьому, більший, розмір його части­нок залежить від властивостей породи і від того, який стрибок руйнування переважно досягається. При другому і третьому стрибках розміри уламків шламу, в основному, майже дорівнюють лінійним розмірам площадки контакту окремого зуба. В цій області на кривій може бути декілька максимумів, що належать до відповідних стрибків крихкого руйнування (перший — першому, другий — другому і т.д.). Питомі енергозатрати на руйнування одиниці об'єму породи суттєво нижчі, ніж у перших двох областях. Такий вид руйнування називають об'ємним.

Як бачимо на рис. 8.2 ділянка ВС показує тенденцію зростання v_m з підвищенням осьового навантаження при об'ємному руйнуванні. Але реально для кожного конкретного співвідношення «долото—гірська порода» існує деяке граничне значення навантаження, перевищення якого не призводить до суттєвого зростання механічної швидкості буріння.

Тобто, швидкість руйнування породи і відповідно v_m спо­чатку підвищуються, а потім темп їх зростання зменшується.

Воно може бути зумовлене обмеженою висотою зуба, ступенем очищення вибою від шламу, стрибкоподібним характером руйнування гірської породи, конфігурацією вибою свердловини та ін. Наприклад, покращення очищення вибою від шламу (крива ВС) підвищує v_m. При поганому очищенні вибою v_m зменшується (криві ВС' і ВС").

Це пояснюється тим, що при недостатньому очищенні вибою на ньому (вибої) накопичуються раніше зруйновані частинки, які не встигли переміститись в наддолотну зону (затрубний простір). Це приводить до повторного подрібнення вже зруйнованої породи, до запресування западин між зубами долота дрібними уламками, до поломки зубів, тощо. Все це спочатку сповільнює ріст швидкості буріння, а потім може і знизити її. Цю зону називають зоною недостатнього очищення вибою.

► 8.2.2. Вплив частоти обертання долота

Частота обертання долота суттєво впливає на умови і показники роботи бурового долота, її вплив на механічну швидкість буріння наочно пояснюється залежністю

(8.2)

де — заглиблення за один оберт долота;

— частота обертання долота, с^-1.

Так, при бурінні шарошковими долотами збільшення веде до зростання числа поражень вибою зубцями шарошок, а також до збільшення швидкості удару зубців в породу (динамічна складова). Все це підвищує ефект руйнування породи долотом, викликає зростання механічної швидкості буріння. Разом з тим частота обертання долота різко скорочує довговічність долота.

На рис. 8.3 показана, за Є.К. Юніним, залежність v_m і від частоти обертання долота . Але лінійна залежність механічної швидкості від при = idem спостерігається тільки при певних умовах буріння, коли використовуються алмазні долота і бурильні головки, а також долота ІНМ у твердих породах.

Рисунок 8.3 − Графіки залежності заглиблення за один оберт і механічної

швидкості буріння від частоти обертання долота

Для шарошкових доліт при навантаженнях, які забезпечують об'ємне руйнування гірської породи, за­лежність = idem характерна тільки до певної частоти обертання долота, починаючи з якої ₀( ) зменшується і порушується лінійний зв'язок між механічною швид­кістю буріння та (рис. 8.3). Причому, при подальшому підвищенні може спостерігатися і зменшення v_m .

► Це можна пояснити таким чином:

По-перше, із зміною частоти обертання долота міняється число поражень вибою зубками шарошкового долота.

Так як з ростом частоти обертання скорочується тривалість контакту зуба з породою, то при великих частотах тривалість контакту може бути недостатньою для реалізації підведеної енергії. Тобто, для того, щоб взаємодія зуба долота з породою завершилась руйнуванням, необхідний певний час на розвиток деформації і руйнування гірської породи. При підвищенні частоти обертання час контакту зменшується в обернено пропорційній залежності. У крихких твердих породах деформація розвивається з більшою швидкістю, ніж у пружнопластичних і пластичних породах. Отже, в крихких породах максимум v_m досягається при більш високих , ніж для пружнопластичних і пластичних порід. Це було доведено дослідним шляхом.

По-друге, для видалення подрібненої або сколеної породи також не­обхідний визначений мінімум часу. Якщо частота обертання долота велика, часу з моменту дії зуба однієї шарошки до моменту дії зуба іншої шарошки з даною площадкою вибою може бути недостатньо для видалення породи, зруйнованої попереднім зубом, і наступний зуб повторно подрібнює залишений шлам.

По-третє, при малій частоті обертання долота проміжок часу, протягом якого залишається розкритою тріщина в породі, що утворюється при проникненні зубка, достатній для того, щоб в цю тріщину проник фільтрат бурового розчину (або сам розчин). Тиск на частинку зверху і знизу (див. дальше про тиск пригноблення) практично порівнюється і тріщина не може стулитися після відриву зубка від породи. В цьому випадку відриви сколеної частинки від вибою і її видалення полегшуються. При збільшенні ж частоти обертання зменшується проміжок часу, протягом якого тріщина розкрита, і фільтрат може заповнювати її. Якщо ж цей проміжок стане вельми малим, фільтрат в тріщину не встигне проникнути, тріщина після відриву зубка шарошки від породи стулиться, а притискувальна сила і фільтраційна кірка будуть утримувати частинку, перешкоджати її видаленню із вибою. Тому на вибої збережеться шар сколених, але не видалених частинок, які будуть повторно розмелюватися зубцями долота.

Оскільки через неповноту очищення вибою величина поглиблення за один оберт долота d₀ із збільшенням частоти обертання (кутової швидкості w) зменшується, то механічна швидкість Vм буде зростати пропорційно частоті обертання долота (рис. 8.3).

По-четверте, внаслідок демпферуючого ефекту раніше розбуре­них (зруйнованих), але не видалених з вибою частинок породи, зменшується сила удару зубів долота в породу і коефіцієнт динамічності.

По-п'яте, з ростом частоти обертання інтенсифікується знос зубів шарошок, що приводить до зменшення величини контактного тиску зубів на породу.

Механічне руйнування гірських порід (поглиблення) при бурінні долотом має складний характер. По кількісних показниках поглиблення не можна судити про вплив того або іншого параметра на ефект руйнування гірських порід: їх дія завжди комплексна.

Найбільш ефективне поглиблення свердловини можливе тільки в тому випадку, якщо вибій повністю очищається від шламу; інакше розбурена порода чинить додатковий опір роботі долота, унаслідок чого механічна швидкість буріння і проходка на долото нижче за розрахункові величини.

Досвід показує, що техніко-економічні показники роботи бурових доліт в значній мірі залежать від режиму промивання свердловини та технологічних властивостей (якості) бурового розчину.

►8.2.3. Вплив витрати (кількості) промивальної рідини

Витрата (кількість) промивної рідини при бурінні повинна забезпечувати:

• чистоту вибою та ствола свердловини;

• охолодження долота;

• сприяння ефективному руйнуванню породи;

• попередження ускладнень.

На рис.8.4 показана залежність впливу об’ємної витрати промивальної рідини (подачі бурових насосів) на механічну швидкість буріння, зумовленого очищенням вибою свердловини від шламу. При постійних осьовому навантаженні Gд і кутовій швидкості обертання долота підвищення об’ємної витрати Q промивальної рідини покращує очищення вибою і підвищує механічну швидкість буріння.

Але, як видно з рис. 8.4, поки не забезпечується своєчасне і повне видалення шламу, із збільшенням витрати промивальної рідини механічна швидкість підвищується майже лінійно внаслідок кращого охолодження долота, кращого очищення вибою і долота, зниження концентрації шламу в розчині, зменшення густини розчину в кільцевому просторі і зменшенні тиску на вибій.

Рисунок 8.4 − Вплив об'ємної витрати промивальної рідини

на механічну швидкість буріння

Після досягнення практично достатньої витрати Qд , механічна швидкість все ще може зростати, але уже дуже повільно (ділянка Qд — Q max). Це пояснюється тим, що при подальшому зростанні Q почнуть також зростати і втрати тиску на подолання гідравлічних опорів у кільцевому просторі, загальний тиск на вибій почне рости, погіршуються умови руйнування породи і механічна швид­кість буде знижуватись. Практично ця область досягається рідко.

При бурінні свердловин гідравлічними вибійними двигунами витрата рідини визначає їх робочу характеристику (див. дальше), і саме це позна­чається на зміні механічної швидкості, особливо при витратах Q>Qд. При використанні гідромоніторних доліт у поєднанні з гідравлічни­ми вибійними двигунами суттєве збільшення витрати при встанов­леній гідравлічній потужності насосів веде до зниження перепаду тиску в насадках долота і вибійному двигуні. Це в свою чергу приводить до зменшення потужнос­ті двигунів, а також швидкості витікання рідини з насадок. Тому ви­трата промивальної рідини повинна бути обмежена значенням Qд.

Дослідження Б. Г. Васильєва і В. М. Данилевича (1972 р.) при бурінні опорно-технологічних свердловин роторним способом на Осташковицькій площі показали, що при збільшенні подачі бурових насосів від 23, 3·10^-3 до 34·10^-3 м³/с механічна швидкість буріння при інших постійних режимних параметрах підвищувалась і збільшилась в 2 рази. Аналогічні результати були одержані В.М. Шандіним (1973 р.) при бурінні опорно-технологічних свердловин на Ставропіллі.

Ефективність очищення вибою залежить не тільки від витрати промивальної рідини, але ще і від:

• властивостей (передусім реологічних) самої рідини у вибійних умовах;

• швидкості витікання рідини з промивних отворів бурового долота;

• орієнтації потоків рідини із долота відносно поверхні вибою та інших факторів (від конструкції долота, схеми очищення вибою).

►8.2.4. Вплив параметрів (властивостей) промивальної рідини

Функції бурових розчинів є різноманітними, проте одними з головних є ті, які визначають високі швидкості проходки.

На техніко-економічні показники буріння впливають густина, в'язкість, фільтрація, вміст сторонніх домішок (піску), вміст твердої фази і ряд інших параметрів бурового розчину, тобто вплив бурового розчину на процес механічного буріння виражається через його властивості, розмежувати які складно через взаємозалежність їх показників.

Практично доведеним є це, що найбільш істотний вплив має густина бурового розчину. Вплив реологічних властивостей також суттєвий а фільтраційних - незначний.

► Густина бурового розчину визначає тиск на вибої свердловини і впливає на v_m через дифе­ренціальний (див. розділ 7) або пригнічуючий тиски, внаслідок чого погіршуються умови утворення тріщин, а виколювані частини породи притискуються до масиву.

Правда, вплив густини бурового розчину на процес буріння і формування стовбура є багатогранним. Її збільшення приводить до поліпшення очищення вибою і стовбура свердловини від шламу унаслідок дії архімедової сили, до зростання динамічної фільтрації на вибої за рахунок підвищення позитивного диференціального тиску біля вибою і до стабілізації стінок свердловини в результаті зближення гідростатичного тиску в свердловині гірського тиску масиву гірських порід.

Але із збільшенням густини розчину зростає тиск на вибій свердловини, що приводить до додаткового ущільнення породи і погіршення умов відриву частинки від вибою потоком розчину. При цьому на вибої утворюється товста глиниста кірка, на руйнування якої затрачується енергія, при цьому посилюється поглинання розчину розкритим розрізом і продуктивними пластами.

Тому найбільш значний вплив густини бурового розчину є в області об'ємного руйнування породи, а при бурінні в області поверхневого і об'ємно – втомного руйнування воно незначне.

Світовий досвід буріння свердловин свідчить про те, що підвищення густини бурового розчину є зовсім не бажаним, тому, якщо дозволяють геологічні умови, то необхідно бурити з використанням розчину меншої густини, навіть при необхідності ускладнення технологічного процесу промивання її і застосування складнішого устаткування. Швидкість проходки при цьому зростає (рис. 8.5, а).

Чим вища проникність порід і показник фільтрації (фільтрація) промивальної рідини, менша в'язкість фільтрату, нижча частота обертан­ня, більша тривалість контакту робочої поверхні долота з породою, тим слабший вплив густини на механічну швидкість, оскільки тиск на вибої і на глибині виколу встигає вирівнятись.

Високі поверхневоактивні властивості фільтрату та домішки ПАР до промивальної рідини полегшують розвиток тріщин, запобі­гають їх змиканню, і в зв'язку з цим зростає механічна швидкість проходки. Змащувальні домішки зменшують втрати на тертя і дають можливість відпрацьовувати долота при підвищених осьових наван­таженнях.

а) − густини; б)− вмісту твердої фази; в)−фільтрації; г)−умовної в’язкості

Рисунок 8.5− Графіки залежності механічної швидкості буріння від параметрів

промивальної рідини

В.П. Мацієвський на основі промислових даних буріння на площах Дніпрово-Донецької западини показав, що при підвищенні густини бурового розчину з 1200 до 1400 кг/м³ механічна швидкість буріння зменшується майже вдвічі. Дані наведені нижче.

Густина бурового розчину, кг/м³ 1200 1240 1280 1320 1350 1400

Механічна швидкість буріння, м/год 7,4 6,6 6,0 5,0 4,5 4,2

Найбільшої механічної швидкості досягають при продувці свердловини повітрям, дещо меншої — при промиванні аерованими рідинами, або при використанні легких бурових розчинів, води .

Із зниженням густини в більшій мірі проявляється ефект нерівномірного всестороннього тиску, що полегшує руйнування породи.

У високопластичних породах можливе навіть їх витікання в раніше пробурений стовбур. Із збільшенням густини промивальної рідини для досягнення об'ємного руйнування породи необхідне підвищення осьового навантаження на долото, а при бурінні з промиванням аерованими рідинами і продуванням повітрям відносно високі механі­чні швидкості (навіть в 10- 12 разів в порівнянні з використанням промивальних рідин) можуть бути досягнуті при меншому осьовому наван­таженні.

Якщо розглядати тільки швидкість проходки і не брати до уваги поведінку стовбура свердловини (обвалювання, осипання, поглинання розчину і т.д.), то для досягнення максимальних показників роботи доліт найбільшу перевагу можна надавати в якості промивального агента малов'язким легким системам.

По ступеню погіршення роботи породоруйнівного інструменту бурові розчини, що використовуються в світовій практиці, розташовуються в наступному порядку:

● важкий (велика густина) високов'язкий буровий глинистий розчин;

● легкий малов'язкий буровий глинистий розчин;

● емульсія;

● буровий розчин на вуглеводневій основі (РНО);

● вода (в якості бурового розчину);

● вода з ПАР;

● аерована рідина;

● повітря (газ).

► Вміст твердої фази в буровому розчині впливає на показники роботи доліт, в тому числі на механічну швидкість буріння, незалежно від зміни інших параметрів бурового розчину. Отже, при збільшенні концентрації твердих частинок ме­ханічна швидкість знижується (рис. 8.5, б та рис.8.6) і, лише іноді може зростати за рахунок ефекту ерозійної дії струмин.

а) б)

Рисунок 8.6 - Вплив вмісту (а) і дисперсності (б) твердої фази на механічну швидкість проходки v_m: 1—диспергована система; 2— недиспергована система

Встановлено також вплив виду твердої фази (особливо глинистої складової) на механічну швидкість. А.І. Булатовим та іншими вказується, що підвищення на 1% глинистих частинок у розчині призводить до втрати 6—7% v_m. Тому в буровому розчині необхідно підтримувати мі­німальну концентрацію глинистих частинок, систематично її контролювати і регулювати.

З практики, наприклад, відомо, що при бурінні з промиванням соленасиченим розчином густиною 1200 кг/м³ механічна швидкість буріння значно вища, ніж при бурінні глинистим розчином такої густини в аналогічних умовах.

Це можна пояснити тим, що при збільшенні концентрації твердих частинок, як правило, збільшується густина і в'язкість бурового розчину, а це приводить до зростання як гідростатичного так і гідродинамічного тисків, внаслідок чого погіршуються умови руйнування породи.

Із зростанням концентрації твердої фази в буровому розчині не тільки механічна швидкість буріння зменшується, але і проходка на долото падає (при розкритті швидше зношується опора долота).

На темп поглиблення найбільш істотно впливають густина бурового розчину і вміст в ньому твердої фази. Механічна швидкість проходки різко знижується при збільшенні густини розчину від 1000 до 1500 кг/м³.

► В'язкість бурового розчину впливає на v_m менш вагомо, ніж густина.

Вважається, що змен­шення в'язкості бурового розчину сприяє підвищенню механічної швидкості (рис. 8.5,в). Одне з пояснень такого впливу полягає у зменшенні товщини граничного шару на вибої і покращенні вимивання шламу, а також зміною гідравлічних опорів в затрубному просторі.

На рис. 8.7 показаний характерний вплив пластичної в'язкості бурового розчину на відносну механічну швидкість буріння для шарошкових і алмазних доліт.

Отже, в'язкість розчину однозначно впливає на швидкість проходки.

Роль в'язкості бурового розчину найбільш помітна, особливо в діапазоні

15 — 35 с (по приладу ПВ-5). При правильно вибраному режимі промивання свердловини роль в'язкості в процесі транспортування шламу є досить вагома, але її можна регулювати.

а) б)

Рисунок 8.7 - Вплив пластичної в'язкості бурового розчину на відносну механічну

швидкість буріння шарошковими (а) і алмазними (б) долотами:

1 — п = 60 хв^-1; 2 — п = 180 хв^-1

► Фільтраційно-кольматаційні властивості бурового розчину справляють незначний статистич­ний вплив на механічну швидкість буріння. Звичайно вважається, що підвищення показника фільтрації бурового розчину повинне сприяти збільшенню v_m (рис. 8.5, г).

Роль фільтрації розчину в процесі поглиблення свердловини також неоднозначна. Із збільшенням фільтрації на вибої полегшуються умови сколювання і відриву частинки долотом в результаті дії розклинюючих сил проникаючого фільтрату і вирівнювання тиску навкруги сколюваної частинки; але при збільшенні фільтрації зменшується стійкість стовбура, на вибої і стінках утворюються товсті глинисті кірки. Зрозуміло, величина фільтрації визначається конкретними умовами. Природа такого впливу пов'язана із зміною миттєвої фільтрації, яка відбувається у шарі породи, що руйнується на вибої, та із зменшенням диференціального тиску.

Але цілком очевидно, що фільтрація за деякий час (прийнято 30хв) повинна бути мінімальною для підвищення стійкості стінок свердловини, а миттєва фільтрація (5—10с) повинна бути максимальною (наближається по величині до фільтрації за 30хв) для поліпшення умов буріння.

Для підвищення v_m відомі рекомендації використання бурових розчинів з високими показ­никами миттєвої фільтрації.

Таким чином, при оптимальному співвідношенні показників властивостей бурових розчинів швидкість проходки може бути істотно підвищена.

► 8.2.5. Вплив диференціального тиску на зміну механічної швидкості буріння

На частку шарошкових доліт доводиться біля 90 % всієї проходки, проте із зростанням глибини буріння показники роботи цих доліт значно погіршуються.

При поглибленні свердловин, пробурених в різних районах, від 1000 до 5000м механічна швидкість проходки V_м іноді знижується в 25 разів, а швидкість буріння — в 33 рази (В.Б. Штур, М.Р. Мавлютов і ін.). Основною причиною різкого погіршення техніко-економічних показників буріння із зростанням глибини, на думку більшості, вітчизняних і зарубіжних дослідників, являється зміна вибійних умов руйнування гірських порід (гідродинамічні процеси в зоні руйнування гірських порід на вибої свердловини) і умов очищення вибою свердловини.

При цьому мається на увазі вплив таких чинників, як наявність порового Р_п, пластового Р_пл, диференціального ∆Р, пригноблюючого Р_пр, та гідростатичного тисків на вибої свердловини Р_г; якість бурового розчину; частота обертання долота і динаміка його роботи; осьове навантаження на долото та інше.

В результаті дії деяких чинників погіршується буримість гірських порід унаслідок зростання їх міцності на стиснення і зусиль, що притискують частинки породи (шлам) до вибою, в основному через виникнення в зоні руйнування високого диференціального і пригноблюючого тисків.

Притискувальні сили мають статичну і динамічну природу і їх значення є складною функцією майже всіх відомих показників, які характеризують процес буріння (руйнування).

Диференціальний (статичний) тиск ∆Р_диф, що обумовлює статичні сили — різниця між гідростатичним тиском бурового розчину в свердловині Р_г і пластовим Р_пл (поровим Р_п) тиском у відповідній точці пласта.

∆Р_диф = Р_г - Р_пл , (8.3)

де Р_г — гідростатичний тиск, МПа;

Р_пл — пластовий тиск, МПа.

Диференціальний тиск — основний чинник, який є визначальним показником роботи бурових доліт. Встановлено, що за інших рівних умов механічна швидкість проходки збільшується із зменшенням диференціального тиску на вибій.

Інтенсивне зниження механічної швидкості буріння відбувається в початковий момент зростання диференціального тиску до 1,4 — 5,6 МПа. Подальше підвищення ∆Р_диф супроводиться стабілізацією V_м.

Вплив диференціального тиску на механічну швидкість буріння особливо помітний при Р_диф<3,5 МПа (рис.8.8).

Зменшення механічної швидкості із зростанням диференціального тиску пояснюється головним чином погіршен­ням відділення частинок зруйнованої породи (шламу) від вибою за рахунок збільшення притискуваль­ної сили, що приводить до повторного його роздроблення.

Рисунок 8.8 − Вплив диференціального тиску на механічну швидкість буріння

Аналіз зарубіжних матеріалів показав, що при бурінні свердловин в Південній Луїзіані (США) зменшення диференціального тиску від 7,0 МПа до 0 привело до зростання механічної швидкості проходки на 70 %.

Встановлено, що вплив перепаду тиску на механічну швидкість проходки більш помітно виявляється при зростанні осьового навантаження на долото, а це означає, що чутливість механічної швидкості проходки до диференціального тиску на вибої зростає із збільшенням осьового навантаження на долото.

Для низькопроникних порід вплив диференціального тиску достатньо великий, а для високопроникних — незначний. Таке явище можна пояснити наступним чином.

В процесі буріння в проникних гірських породах під дією позитивного перепаду тиску (Р_г > Р_пл) в системі свердловина — пласт фільтрат бурового розчину проникає в породу. При фільтруванні дисперсна фаза розчину, частково кольматуючи шар породи, відкладається на її поверхні у вигляді шару осадка, в любому випадку утворюючи фільтраційну кірку, яка спільно з породою чинить додатковий опір руху фільтрату. Останній, проникаючи в породу, викликає перерозподіл тиску на глибині зародження тріщин (умовно названих магістральними), що формують лунку виколу (глибина руйнування). В результаті цього по трасі магістральної тріщини буде не пластовий тиск, а інший, рівний тиску на глибині руйнування, — Р_р.

Так як Р_г >Р_р , то диференціальний тиск ∆Р_диф буде мати менше значення, а саме:

∆Р_диф = Р_г-Р_р (8.4)

Це і пояснює збільшення механічної швидкості буріння.

При руйнуванні непроникних гірських порід тиск на глибині руйнування Р_р буде рівний пластовому Р_пл (поровому Р_п) і тоді диференціальний тиск ∆Р_диф буде мати більше (повноцінне) значення (формула 8.3), від чого проходить зменшення механічної швидкості буріння.

При негативному диференціальному тиску механічна швидкість проходки продовжує збільшуватися, часто в зростаючому темпі.

Таким чином, в даний час вважається, що при існуючих режимах буріння диференціальний тиск як правило, є основним чинником, який визначає техніко-економічні показники буріння. При збільшенні ∆Р_диф до 1,4 — 7,0 МПа в залежності від умов буріння механічна швидкість буріння може зменшуватися в 2 —5 разів.

Динамічні сили, які також погіршують умови руйнування вибою, виникають в результаті дії гідравлічних опорів в затрубному просторі та тиску пригноблення Р_пр.

Отже, загальний тиск на вибої свердловини Р_виб залежить не тільки від гідростатичного тиску, але ще й від гідродинамічного тиску (гідравлічні опори в затрубному просторі), який, як правило, не перевищує 2,0—2,5 МПа.

В процесі розвитку магістральної тріщини первинний тиск в її порожнині Р_тр практично рівно нулю. Оскільки Р_виб > Р_тр , то над частинкою по довжині тріщини виникає динамічний перепад тиску, який притискує частинку до масиву породи, тобто пригноблює її. Щоб уникнути плутанини на відміну від диференціального тиску цей перепад тиску запропоновано іменувати пригноблюючим тиском Р_пр.

Для заповнення порожнини тріщини рідиною і відновлення тиску в ній потрібний певний час, тому, в залежності від часу контакту зуба долота з породою, проникності порід (умов руйнування), пригноблюючий тиск може змінюватися в діапазоні значень від диференціальному тиску до тиску на вибої свердловини. При руйнуванні непроникних гірських порід діапазон зміни пригноблюючого тиску Р_пр дещо менший.

Для розрахунку диференціального і пригноблюючого тисків необхідно знати закономірності утворення фільтраційної кірки, эпюру розподілу тиску в приповерхневому шарі руйнованої породи, час заповнення об'єму магістральної тріщини флюїдами і час відновлення тиску в тріщині до рівня Р_р.

В більшості випадків динамічний тиск визначають експериментально, і за твердженням дослідників, при всіх дослідах він не перевищує 4,3 МПа.

Як бачимо з вище викладеного матеріалу, диференціальний тиск, гідравлічні опори в затрубному просторі і пригноблюючий тиск — це комплексний чинник, який залежить від густини і в'язкості бурового розчину, режиму циркуляції, співвідношення геометричних розмірів стовбура свердловини і бурильного інструменту і т.д.

Незалежно від первинної причини збільшення цих тисків в свердловині, завжди буде погіршенням показників роботи доліт.

►8.2.5. Вплив перепаду тиску ∆Р_д в насадках долота (числа Рейнольдса потоку)

Лабораторні дослідження, виконані фірмою «Esso Production» з допомогою мікродоліт, довели, що механічна швидкість буріння найкращим чином корелюється з числом Рейнольдса потоку буро­вого розчину під долотом (рис. 8.9).

Наступні про­мислові дослідження, виконані канадською фір­мою «Imperial Oil», підтвердили характер цієї за­лежності.

Вважається, що причиною тісної кореляції між v_m і Re служить те, що число Рейнольдса є показником товщини граничного шару бурового розчину біля вибою. При цьому власне граничний шар затруднює змивання уламків породи з вибою.

У залежності від збільшення швидкості руху рідини збільшується число Re. Очищення вибою свердловини від шламу та руйнування породи підвищується за рахунок гідромоніторної дії стру­меня промивальної рідини із насадок долота. Гідромоніторний ефект досягається при швидкостях витікання рідини з насадок не менше 80 м/с.

При дії гідромоніторного струменя на вибої свердловини можуть спостерігатись різні ефекти, а саме:

• змивання глинистої кірки, що зумовлює підвищення тиску на глибині руйнування і зменшує ефективні напруження в скелеті породи;

• змивання з вибою зруйнованих частинок породи (шламової подушки);

• вимивання недоруйнованої породи і руйнування перемичок між лунками, які утворились під зубами долота;

• руйнування струменем материнської породи.

Реалізація гідромоніторного ефекту струменів, що виходять

із насадок долота з високою швидкістю, дозволяє збільшити швидкість буріння і проходку на долото в м'яких породах в 2 — 3 рази. В твердих сланцях гідромоніторний ефект при швидкостях витікання струменя 50 — 80 м/с дозволяє підвищити швидкість буріння і проходку на долото в 1,5 разу.

Американська компанія «Рід Тул» рекомендує швидкість витікання рідини з насадок не менше 107-122м/с.

Слід відзначити, що робота з перепадом тиску в насадках долота ∆Р_д >30 МПа можлива тільки при наявності спеціального обладнання.

Компанія «Рід Тул» провела експерименти по реконструкції бурових насосів та доліт для використання перепаду тиску на долотах до 103,4 МПа. При цьому було встановлено, що при використанні такого обладнання та доліт руйнування порід проходить в 2-3 рази швидше ніж при бурінні звичайними долотами.

Інтервал буріння 706-1830м було пробурено:

• при ∆Р_д = 13,78 МПа за t = 66,6 год;

• при ∆Р_д =68,9-103,4 МПа за t = 24,2 год, тобто, механічна швидкість буріння v_m збільшилася в 2,75 рази.

В даний час проводяться експериментальні роботи по реконструкції бурових насосів та доліт для використання перепаду тиску на долотах до 200 МПа.

Слід враховувати, що при великих глибинах енергетичні витрати на промивання свердловини більш відчутні, чим виграш від гідромоніторного ефекту доліт.

Визначальним фактором в очищенні вибою від розбуреної породи та руйнування струменем материнської породи є гідравлічна потужність N_д, що реалізується в насадках долота:

N_д = ∆Р_д·Q, (8.5)

де ∆Р_д – перепад тиску на долоті;

Q – витрата бурового розчину.

Сукупність таких ефектів впливає на руйнуючу здатність струменя.

На рис. 8.9 показані графіки залежності механічної швидкості буріння (проходки) від гідравлічної потужності Nг на долоті (М.Г. Середа, Є.М. Соловйов), та та швидкості витікання розчину із насадок долота.

До важливих факторів, що визначають вплив гідравлічної потужності на v_m, належать механічні властивості порід, схема очищення вибою, конструктивні особливості насадок та їх відстань від вибою.

Таким чином, основні показники промивання свердловини, які мають визначальний вплив на механічну швидкість проходки, наступні:

• диференціальний тиск на вибої свердловини;

• швидкість витікання розчину з насадок долота;

• гідравлічна потужність, яка спрацьовує на долоті.