Разработка параметров режима бурения

Опытное бурение. Разрабатывать рациональное (оптималь­ные) параметры режима бурения следует на основании про­водки опорно-технологических скважин (ОТС). Проводка опорно-технологической скважины предшествует составлению технического проекта. С этой целью необходимо:

1. тщательно изучить геологические условия (стратигра­фию, тектонику) района, в котором предполагается бурить, и физико-механические свойства пород;

2. установить зоны возможных осложнений (нарушения це­лостности ствола скважины, выбросы, поглощения бурового рас­твора и т. п.), а также определить пластовые давления продук­тивных горизонтов;

3. изучить возможности самопроизвольного искривления ствола скважины и профилактические меры, ранее применяв­шиеся против искривления, а также выяснить эффективность этих мер;

4. в соответствии с геологическими условиями бурения:

1. выбрать буровой раствор, задаться его параметрами для разбуривания отдельных горизонтов (свит и пластов);

2. про­извести поинтервальный выбор способа бурения;

3. выбрать типы долот для разбуривания отдельных горизонтов (свит и пластов).

Если бурение проектируется в районе, где ранее не прово­дилось глубокое бурение, все изложенные выше определения должны быть произведены по результатам бурения в близле­жащих геологических сходных районах.

В зависимости от способа бурения, механических свойств по­род, качества бурового раствора и избранных типов долот при­ступают к определению необходимых значений для осевой на­грузки Р_д, количества прокачиваемого бурового раствора Q и частоты вращения долота n. При этом следует руководство­ваться (независимо от способа бурения) следующими положе­ниями.

1. Потенциальные возможности буровой установки должны быть максимально использованы.

2. Для промывки скважины должен быть выбран буровой раствор с минимально возможными параметрами: плотностью, вязкостью, статическим напряжением сдвига.

3. Количество прокачиваемой жидкости должно быть доста­точным для очистки забоя и выноса частиц выбуренной породы (шлама) на поверхность.

Составляются программы проведения исследований по выяв­лению влияния регулируемых параметров режима бурения на показатели работы долот. Опорно-технологические сква­жины рекомендуется бурить ротором и электробуром, так как, используя эти способы, можно соблюсти основные условия про­ведения исследований  независимость основных параметров режима бурения (осевой нагрузки и частоты вращения) друг от друга, а также иметь необходимый диапазон изменения частот вращения. Однако эта рекомендация не исключает и проводку их с применением гидравлических забойных двигателей.

В процессе проводки опорно-технологической скважины бла­годаря созданию различных сочетаний параметров режима бу­рения находят оптимальные варианты. Обработка данных, по­лученных при бурении опорно-технологических скважин, доста­точно трудоемка, требует специальной подготовки. В последнее время для этого широко используются ЭВМ. Применение вы­числительной техники для расчета сложного взаимодействия переменных факторов процесса бурения позволяет более точно регулировать и создавать оптимальные условия для бурения.

Режимно-технологические карты. После завершения обра­ботки материалов по пробуренным опорно-технологическим скважинам составляется типовая режимно-технологическая карта для бурения на данной площади.

Режимно-технологические карты, как правило, состоят из четырех частей:

1. режимной;

2. инструктивной;

3. оператив­ного графика;

4. общей части.

Режимная часть карты включает для каждого стратиграфи­ческого горизонта оптимальный режим бурения. В инструктив­ной части даются рекомендации по предотвращению возможных осложнений и наиболее эффективные меры по борьбе с ними. В режимной и инструктивной частях карты указываются пути увеличения механической скорости проходки скважины. Чтобы буровая бригада в процессе проходки скважины могла опреде­лять, как успешно осуществляется процесс бурения, строится оперативный график, в котором отражаются ожидаемая механическая скорость проходки и предполагаемые затраты времени на все операции по интервалам бурения. В общей части карты приводятся организационно-технические мероприятия обеспечивающие предусмотренную в предыдущих частях карты технологию бурения и ожидаемые показатели проходки скважин

Особенности режима бурения роторным способом. Тип долота должны выбирать в соответствии с «Комплексной методикой классификации горных пород геологического разреза, разделения его на характерные пачки пород и выбора рациональных типов и конструкций шарошечных долот для эффективной разбуривания нефтяных и газовых месторождений»

При выборе режима бурения долотами серий ГНУ и ГАУ нужно учитывать следующее: верхнему уровню осевых нагру­зок на долото соответствует нижний уровень частот вращения и наоборот; в пластичных, вязких глинистых, а также слабо сцементированных малоабразивных песчано-глинистых и песча­ных породах целесообразно бурить при близких к максималь­ным частотам вращения и пониженных осевых нагрузках на долото; в песчаных и других абразивных породах, а также тре­щиноватых и обломочных целесообразно снижать частоту враще­ния ротора во избежание повышенного износа и разрушения во­оружения, герметизирующих элементов опор шарошек, козырь­ков и спинок лап.

Режим бурения, особенно долотами с твердосплавным во­оружением и герметизированными опорами, должен выбираться таким, чтобы не допускалось вибраций бурильной колонны.

Частота вращения ротора должна отличаться от критиче­ской частоты вращения, при которой совпадают поперечные и продольные колебания бурильной колонны.

Наиболее опасно применение критической частоты враще­ния при наименьшей критической длине колонны.

Во многих случаях при бурении в мягких неабразивных по­родах существенное улучшение показателей работы долот до­стигается при повышении частоты вращения до 140200 об/мин.

Фактическая осевая нагрузка на долото при повышенной ча­стоте вращения инструмента из-за трения бурильной колонны о стенки скважины и вкладыш ротора оказывается существенно меньше, чем по индикатору веса. Поэтому нагрузку на долото следует корректировать с учетом разницы в показателях ин­дикатора веса при вращении и без вращения колонны.

Осевая нагрузка на долото при бурении с повышенной ча­стотой вращения обычно должна быть уменьшена на 2025 % против величины, создаваемой при низкооборотном режиме в тех же случаях.

Переход на высокооборотный режим вращения бурильной колонны может сопровождаться в отдельных породах обвалами стенок скважины и увеличением момента вращения бурильного инструмента. При возникновении указанных явлений необхо­димо немедленно тщательно промыть и проработать (на длину ведущей трубы) ствол скважины и только после установления нормальных условий бурения переходить на повышенную ча­стоту вращения ротора.

Не рекомендуется применение повышенной частоты враще­ния ротора при бурении в твердых породах с промывкой тех­нической водой.

При бурении долотами с герметизированными опорами и твердосплавным вооружением неравномерное вращение и по­дача долота, резкое торможение и внезапные остановки, толчки и удары, повышенный уровень вибрации приводят к разруше­нию (поломкам, сколам и т. п.) твердосплавных зубков и преж­девременному выходу из строя герметизирующих элементов и опор в целом.

При появлении в процессе бурения вибраций, с целью их по­давления необходимо уменьшить осевую нагрузку или изменить частоту вращения ротора.

Если изменение в рациональных пределах указанных пара­метров не приводит к уменьшению амплитуды колебаний до приемлемого уровня, то это свидетельствует о завышенной моментоемкости долота или недостаточном маховом моменте УБТ для данного сочетания типа долота и разбуриваемых пород. Следовательно, на очередной рейс необходимо использовать до­лото, характеризующееся меньшей моментоемкостью, или повы­сить маховый момент УБТ желательно за счет увеличения их диаметра.

Роторный способ бурения в зарубежной практике основной. В нашей стране роторный способ используют при бурении глу­боких скважин, а также нижней части разреза скважин сред­ней глубины.

Особенности режима бурения турбинным способом. В тур­бинном бурении энергия, предназначенная для разрушения по­роды, подводится к забою потоком бурового раствора. Генера­тором гидравлической энергии являются буровые насосы, пре­образующие механическую энергию привода в гидравлическую энергию потока бурового раствора. Часть энергии потока теря­ется на преодоление гидравлических сопротивлений в нагнета­тельной линии, бурильных трубах, замках, долоте и затрубном пространстве. Оставшаяся часть энергии используется в тур­бине турбобура для преобразования в механическую энергию, которая затрачивается на процесс бурения.

Практически характеристики турбобура можно изменять только ступенчато, применяя на различных участках скважины турбобуры неодинаковых типов. Подача буровых насосов ре­гулируется также только ступенчато путем смены цилиндровых втулок. Основная задача проектирования режима турбинного бурения как раз и заключается в установлении режима работы буровых насосов, подборе типов турбобуров и осевой нагрузки на долото для различных участков ствола скважины таким об­разом, чтобы получить наиболее высокие качественные и коли­чественные показатели бурения.

Особенности режима бурения с очисткой забоя воздухом или газом. Одна из особенностей режима бурения с очисткой забоя воздухом или газом — бурение на сравнительно высоких частотах вращения ротора. В процессе бурения шарошечными долотами пород средней твердости, твердых и крепких при очи­стке забоя газообразным циркулирующим агентом и при соблю­дении других параметров режима бурения частота вращения ротора не должна превышать 100200 об/мин, а при бурении сыпучих и мягких пород  200300 об/мин.

Для обеспечения максимальных показателей бурения при использовании газообразных циркулирующих агентов необхо­димо соблюдать оптимальное соотношение нагрузки на долото и частоты вращения долота. Это соотношение лучше всего оп­ределяется по характеру выноса шлама из выкидной линии. Выбрасываемый на поверхность шлам должен состоять из ос­колков породы различных размеров (при бурении твердых и крепких пород шарошечными долотами), или скатанных кусоч­ков легких пород, или естественного состояния при сыпучих по­родах и выходить обильным потоком из выкида.

Количество шламовой пыли должно быть минимальным, так как обильное выделение ее указывает на процесс разрушения истиранием, и для перехода на объемный режим разрушения следует увеличить нагрузку на долото и уменьшить частоту вращения ротора, если она была завышена. Для успешного бу­рения с газообразными циркулирующими агентами необходимо для каждого конкретного случая устанавливать минимальный предел скорости восходящего потока в затрубном пространстве. Минимальным расходом газообразного циркулирующего агента при бурении следует считать такой, при котором в затрубном пространстве с зазором между бурильными трубами и стенками скважины не менее 1215 мм создается скорость восходящего потока, способная выносить выбуренную породу со скоростью 58 м/с.

Повышение давления в циркуляционной системе при буре­нии с применением газообразного циркулирующего агента отрицательно влияет на показатели бурения. Вследствие повы­шения давления в циркуляционной системе объем циркулирую­щего агента резко сокращается, уменьшается скорость восходя­щего потока, что приводит к недостаточной очистке забоя, воз­можному образованию сальников и т. д.