Глава 21

РЕАЛИЗАЦИЯ РАСЧЕТНЫХ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА БУРЕНИЯ СКВАЖИН § 1. Общие сведения

С целью получения наибольшего эффекта при бурении скважин необходима реализация расчетных параметров режима бурения. В связи с этим в процессе бурения осуществляется: регулирование усилия подачи бурового снаряда (осевой нагрузки), частоты вращения и интенсивности циркуляции очистного агента (жидкости или воздуха) с помощью соответственно механизма подачи бурового станка (с учетом массы БС), ступенчатой коробки скоростей или плавнорегулируемого привода и регулирования подачи насоса.

Контроль за реализацией рациональных значений параметров режима бурения ведут с помощью буровой контрольно-измерительной аппаратуры (БКИА). Созданы средства контроля (системы) и автоматического регулирования параметров режима бурения — буровые автоматы (БА), работающие по заданным критериям оптимальности процесса бурения.

Здесь следует отметить, что процесс реализации расчетных параметров режима бурения сильно затрудняется при бурении в сложных геологических условиях — при частой смене пород разной буримости и устойчивости и различных осложнениях в скважине. Особым случаем является бурение горизонтальных и восходящих скважин.

§ 2. Реализация расчетной осевой нагрузки

При бурении нисходящих скважин осевая нагрузка G_c на забой создается за счет веса бурового снаряда (в основном бурильных и утяжеленных труб) G_6c и усилия, развиваемого механизмом подачи бурового станка G_Mn.

В практике бурения глубоких скважин могут иметь место три случая, когда G_6x<G₀, G_6c = G„ и G_6c>G₀.

В первом случае возникает необходимость создавать догрузку снаряда С_дс с помощью усилия механизма подачи G_Mn, тогда имеем

G₀ = G_6c + G_ac, (21.1)

Во втором случае, при G„ = G_6c, никаких дополнительных операций не требуется.

В третьем случае возникает необходимость уменьшить усилие, создаваемое весом бурового снаряда, или разгружать систему на величину G_px, тогда

(21.2)

^Ga ~ С₆.с^_ G_{p c}.

В процессе бурения скважины все эти параметры изменяются: G₀ — в связи со сменой пород и типоразмеров ПРИ; G_6c — с увеличением длины и веса бурильной колонны. В соответствии с этим должны изменяться значения С_дс и G_pc.

Таким образом, величина догрузки снаряда при G₀>G_6c определяется выражением

Сд._с “Go — Сб.с (21.3)

и реализуется усилием механизма подачи станка G_{fl с} = 6’_м

В случае, когда G₀<G_6c, требуется разгрузка бурового снаряда на величину

Gp.c = Сб. с — Go. (21.4)

Реализуется эта сила также с помощью механизма подачи станка, только в обратном от забоя направлении, что обычно отмечают условно знаком «-», т. е. G_pc = -G_M1I.

Значения ±G_Mn рассчитывают для определенных интервалов глубины скважины, равных, обычно, 10 м. При реализации расчетных значений осевой нагрузки G_ap следует учитывать уменьшение ее величины на забое по ряду причин: за счет потери веса БТ, погруженных в жидкость, и угла наклона скважины; за счет гидравлического подпора, создаваемого потоком промывочной жидкости в колонковом снаряде, а также за счет сопротивления сил трения БС о стенку скважины.

Вес бурового снаряда G_6c, погруженного в жидкость, определяется выражением

’ У"-* /Т1 сч

Сб.с = Сб.с (» - j^r), (21.5)

где G_6c— вес бурового снаряда в воздушной среде; у_пж — плотность промывочной жидкости; у_6т—плотность материала, из которого изготовлены бурильные трубы.

В наклонных скважинах осевая нагрузка на забой, формирующаяся за счет веса бурового снаряда, уменьшается еще и в зависимости от зенитного угла (рис. 21.1, а). Фактическая величина усилия, действующего вдоль оси скважины,

Со = Gfc.ccosfl, (21.6)

где G'_6c —вес бурового снаряда, погруженного в жидкость; в — зенитный угол скважины.

Подставив в выражение (21.6) значение G'_6c из уравнения (21.5), получим фактическую величину силы, действующей вдоль оси скважины при свободном продвижении бурового снаряда в сторону забоя,

Со = Сб.с (1 - costf. (21.7)

Как видно из рис. 21.1, а, вторая составляющая G'_np силы

Рис. 21.1. Схема действия сил на бурильные трубы в наклонной скважине

G'_6c прижимает буровой снаряд к стенке скважины, что вызывает действие силы трения F'^, направленной в сторону, противоположную движению бурового снаряда. Величину силы прижатия G’_ap в этом случае можно выразить формулой

С?пр ⁼ Сб.с sin в (21.8)

или

Сцр = Сб.с (1 - ^~)^cos 0^sin 0- (21.9)

Кроме того, бурильные трубы, теряющие прямолинейную форму под действием продольной сжимающей силы G₀, которая превышает критическую величину, и центробежной силы F_u при их вращении, также прижимаются к стенке скважины гребнями полуволн в определенных точках (рис. 21.1, б, в) силами G"_np и G"'_np. Величина силы G"_np определяется выражением

Спр=GoSin /8, (21.10)

где G₀ — осевая сила, действующая на бурильные трубы; /3 —угол между векторами G"_a и G_a.

В случае, когда расчетная осевая нагрузка G_op < G'_6c,

Go = Go + Сд.с. (21.11)

При G₀>G_ec

Go — Go — Gp.c. (21.12)

Величина центробежной силы, под действием которой БТ прижимаются к стенке скважины, может быть определена по известной формуле

где q — масса единицы длины бурильных труб, кг/м; /„ — длина полуволны изогнутых труб, мм; и —частота вращения, об/мин; D_c, D_6T—соответственно диаметр скважины и бурильных труб, м.

Таким образом, сжатая часть колонны БТ, теряющая прямолинейность' формы под действием осевой нагрузки и центробежных сил при работе в наклонной скважине, будет прижиматься к стенке скважины с силой

Fu, ⁼ С_Пр + Gnp + Gnp. (21.14)

В связи с этим продвижению БС по мере углубки скважины будет препятствовать сила трения, величина которой определяется выражением

F_Tp=fN, (21.15)

где / — коэффициент трения.

Или

Лр = / (Gnp + Gnp + Gnp). (21.16)

Подставив в выражение (21.16) значения слагаемых из уравнений (21.9), (21.10) и (21.13), получим

^тр = / [Сб.С (1 - ^—) cosfl sin# + Со sin /? + 5,110“Vo«² (Ос - Щ.т)-- (21.17)

За счет действия F^ снижается величина осевой нагрузки, создаваемой на забой.

Наконец, снижение осевой нагрузки возникает за счет гидравлического подпора, возникающего в связи с увеличением сопротивления движению промывочной жидкости между коронкой и забоем, особенно при бурении в мягких породах. Величина гидравлического усилия Р_г, стремящегося приподнять инструмент, приблизительно может быть определена из выражения

Л- = (Р2 - Р1)лП²/4, (21.18)

где Pi~давление в гидросистеме при подвешенном снаряде; р₂ — давление в гидросистеме при прижатом к забою буровом снаряде; D — внутренний диаметр колонковой трубы.

Очевидно, фактическая нагрузка на забой будет уменьшена на величину Р_г. Это особенно ощущается при бурении по вспучивающимся породам, при малых зазорах между керном и стенками бурового снаряда, а также между торцом коронки и забоем.

Таким образом, при реализации расчетной величины осевой нагрузки G_op при бурении нисходящих и горизонтальных скважин необходимо учитывать затраты усилия подачи на преодоление сил сопротивления F^ и Р_г продвижению бурового снаряда, вели-

Глубина скважины, м	Частота вращения снаряда, об/мин	Расчетные значения осевой нагрузки.			ДаН
		500	чоо	1300	1700
200	71	400	730	1150
	153	400	730	1150	—
	277	300	680	1000	—
	470	250	600	950	—
400	71	350	6S0	970	1250
	153	350	670	970	1250
	277	250	570	S50	1200
	470	1S0	500	S00	1100
600	71	270	550	800	1050
	153	270	550	800	1050
	277	170	500	700	950

чина которых может достигать больших значений, как это видно из данных, полученных В. Г. Квитка (табл. 21.1).

В связи с этим расчетная величина дополнительной нагрузки G_ax, реализуемая с помощью механизма подачи станка G_M(I при G_0p>G'₀, должна определяться с учетом действия сил сопротивления:

С7_д.с = (Go.p - Go) + (F_Tp + Рт), (21.19)

где G_op — расчетное значение осевой нагрузки, действующей на забой; G'₀ —фактическая осевая сила, возникающая за счет действия веса бурового снаряда G_6c; F_Tp, Р_г — силы сопротивления, возникающие за счет трения и гидравлического подпора соответственно.

В случае, когда G_0p<G'₀, величина усилия разгрузки снаряда G_pc определяется также с учетом действия сил и Р_г:

Gp.c ⁼ (Go - Go.p) - (Fjp + Рг). (21.20)

При расчете G_ae или G_pc практически можно пользоваться более простой методикой:

Gfl.c ⁼ К\ (Go.p-Go). (21.21)

Gp.c ⁼ К2 (Go - Go.p), (21.22)

где К_и К₂ — опытные коэффициенты, учитывающие действие сил сопротивления продвижению бурового снаряда (Af_t = 1,2-1,3; К₂ = 0,8-0,7).

С целью уменьшения действия силы и улучшения условий работы БТ рекомендуется использовать при бурении глубоких скважин УБТ, за счет веса которых реализуется расчетная величина нагрузки на забой, а БТ работают не в сжатом, а в растянутом состоянии. В связи с этим вес колонны УБТ должен быть на 30—40% больше расчетной осевой нагрузки на забой.

Длину колонны УБТ подбирают, исходя из следующей зависимости:

L = KGo.p / д, (21.23)

где! —длина УБТ, м; G_op —расчетная величина осевой нагрузки на забой, даН; q— масса одного метра УБТ, кг; К = 1,25-1,5 — коэффициент, учитывающий частичное использование веса УБТ на растяжение бурильных труб (К = 1,25-1,5).

Таким образом, часть веса УБТ (25-5-50%) затрачивается на растяжение колонны БТ и преодоление сопротивления движению снаряда, а остальной вес — на создание осевой нагрузки.

Несколько иначе выглядит реализация осевой нагрузки при бурении восходящих скважин, так как вес бурового снаряда всегда действует в сторону, противоположную забою. В связи с этим при реализации расчетной осевой нагрузки на забой G_op необходимо создавать дополнительную нагрузку с учетом обратного действия веса бурового снаряда и сил трения при продвижении снаряда в процессе углубки скважины. В таком случае

Сд.с = Со.р + Сгб.с + ^тр + Гг. (21.24)

Для создания дополнительной нагрузки С_дс или разгрузки G’_|JC используют механизмы подачи буровых станков гидравлического, пневматического или механического типа и соответствующую контрольно-измерительную аппаратуру.

Результаты расчетов по рассмотренной методике сводят в таблицу (табл. 21.2) и по ним строят график (рис. 21.2).

Таблица 21.2

Пойнтер- вальная глубина скважины L, м	Кате гория пород	Типо размер ПРИ	Рациональная осевая нагрузка, даН		Расчетный вес бурового снаряда, кг		Расчетное усилие механизма подачи См п, даН
			удельная Су	сум марная со	С6.с	С’'бх		при догрузке СД.с	при разгрузке Ср.с
10 20 30

Рис. 21.2. График изменения расчетной осевой нагрузки на забой:

/~ расчетная величина ocepnfl нагрузки Gop;

3. — график изменения веса снаряда Сб.с с учетом его уменьшения в условиях скважины; J — график изменения величины дополнительной нагрузки Од.с; «/ — график изменения величины разгрузки снаряда С7рс; L), L2, L3 — глубины смены горных пород; L1, L2 — глубины равных значений веса снаряда Сб.с и значений расчетной осевой нагрузки Оо.р