Одна из главных функций циркулирующего бурового раствора — очи­стка забоя и ствола скважины от обломков породы. От эффективности вы­полнения этой функции в значительной мере зависит скорость проходки скважины. Однако в ряде случаев гораздо больше на скорость бурения влияет другой фактор циркуляции — гидромониторный эффект размыва забоя: с увеличением скорости истечения бурового раствора из насадок долота скорость бурения увеличивается.

Скорость и режим циркуляции бурового раствора определяют интен­сивность размыва забоя потоком, значение дифференциального давления на забое, качество очистки забоя и ствола от разрушенной породы, степень размыва скважины, энергетические затраты на циркуляцию, т.е. то, что прямо влияет на скорость бурения скважин.

С повышением производительности промывки будет интенсифициро­ваться размыв породы на забое, улучшаться удаление шлама с забоя, при этом скорость бурения должна увеличиваться. Однако возникают и отри­цательные моменты: повышается дифференциальное давление на забое за счет увеличения потерь напора в кольцевом пространстве и давления па­дающей на забой струи бурового раствора, интенсифицируется процесс размыва стенок ствола скважины восходящим потоком, растут энергетиче­ские затраты на циркуляцию, могут возникнуть поглощения бурового рас­твора.

Таким образом, при выборе гидравлической программы промывки скважины для каждого конкретного случая должно быть принято компро­миссное решение, позволяющее достичь высоких скоростей бурения при минимальных затратах на процесс бурения. При этом скорость и направ­ление истечения бурового раствора из насадок долота, режим циркуляции под долотом в кольцевом пространстве скважины, дифференциальное гид­родинамическое давление на забое — основные показатели промывки, влияющие на эффективность процесса бурения.

Все показатели промывки определяются прежде всего значением по­дачи буровых насосов и настолько тесно взаимосвязаны, что зачастую их роли трудно разделить.

Производительность циркуляции бурового раствора — комплексный показатель промывки скважин. С ростом этого значения улучшается очи­стка забоя, а следовательно, повышается эффективность работы долота. В то же время увеличиваются потери давления в кольцевом пространстве и растет гидродинамическое давление на забое, создаются неблагоприятные условия для отхода сколотой долотом частицы от забоя, КПД долота сни­жается, вследствие чего уменьшаются механическая скорость проходки и проходка на долото.

B.C.  Федоровым установлено, что существует определенный предел

технологически необходимого расхода промывочной жидкости, дальнейшее увеличение которого нерационально. Этот предел диктуется, в первую оче­редь, необходимостью обеспечения эффективной очистки забоя от шлама. Его находят опытным путем.

При изучении влияния плотности бурового раствора на показатели ра­боты долота установлено, что в разных условиях бурения оно количествен­но разное и зависит также от глубины скважины, типа пород, порового давления и т.д. Лучше всего проходка на долото и механическая скорость проходки коррелируются с дифференциальным статическим давлением (с разностью между гидростатическим и внутрипоровым давлениями). Чем меньше эта разность, тем эффективней порода разрушается долотом. Оче­видно, дифференциальное давление на забое является комплексным пара­метром, который значительно влияет на характер взаимодействия долота с породой на забое.

С увеличением производительности циркуляции бурового раствора растут гидравлические потери в кольцевом пространстве скважины и в связи с этим повышается гидродинамическое давление на забой. Особенно это заметно при переходе от ламинарного режима течения к турбулентно­му. Потери давления в кольцевом пространстве скважины могут при этом измениться на единицы и даже десятки атмосфер. Эти значения иногда малы по сравнению с гидростатическим давлением столба бурового рас­твора, однако и они могут оказать решающее влияние, особенно тогда, ко­гда гидростатическое и пластовое (внутрипоровое) давления близки по зна­чению, что характерно для современной технологии бурения скважин.

Таким образом, отрицательным последствием интенсификации про­мывки скважины может стать увеличение дифференциального давления на забое скважины и, как следствие, ухудшение условий разрушения породы на забое скважины.

Один из основных факторов, влияющих на эффективность работы по-родоразрушающего инструмента на забое скважины, — качество очистки забоя от обломков породы циркулирующим буровым раствором (под каче­ством очистки забоя будем понимать скорость смыва и количество смываемых частиц шлама. Как правило, бурение (особенно турбинное) осуществляется в условиях несовершенной очистки забоя скважины. Из-за зашламленности забоя зубья породоразрушающего инструмента не имеют непосредственного контакта с поверхностью разрушаемой породы; осевая нагрузка со стороны долота воспринимается не только забоем, но и шламо­вой подушкой. Эффективность внедрения зуба долота в забой скважины существенно ухудшается, скорость проходки уменьшается.

Выполненные в Уфимском нефтяном институте исследования показа­ли, что даже тонкий слой шлама на поверхности мрамора на 30 — 40 % снижает передаваемое на мрамор усилие со стороны вдавливаемого пуансона (зуба).

Лабораторными исследованиями, выполненными фирмой «Эссо Про-дакшн» с помощью микродолот, установлено, что механическая скорость проходки наилучшим образом коррелируется с функцией числа Рейнольд-са. Последующие промысловые исследования, выполненные фирмой «Им-периэл Ойл» в Канаде, подтвердили характер этой зависимости.

Считается, что причиной тесной корреляции между механической скоростью проходки и числом Рейнольдса потока бурового раствора под долотом служит то, что число Рейнольдса является показателем толщины

пограничного слоя бурового раствора у забоя. А сам пограничный слой за­трудняет смыв обломков породы с забоя.

При Re = 100+1000 характерна ситуация, когда обломки породы уда­ляются вихрями, которые образуют движущиеся зубья долота. При этом пограничный слой настолько велик, что при неподвижном долоте обломки породы с забоя потоком бурового раствора не смываются. В этом случае механическая скорость проходки не зависит от числа Рейнольдса.

По мере увеличения числа Рейнольдса от 103 до 105
вихревые потоки начинают достигать забоя. В результате уменьшения толщины погранично­го слоя качество очистки забоя от обломков породы улучшается, и, как следствие, увеличивается механическая скорость проходки. В этом диапа­зоне чисел Рейнольдса темп увеличения механической скорости проходки наибольший.

При Re = 105-И0б интенсивность роста механической скорости про­ходки по-прежнему заметно снижается.

Наконец, при Re > 10б достигается совершенная очистка забоя, и ме­ханическая скорость проходки снова не зависит от числа Рейнольдса. Об­ломки породы с забоя удаляются сразу же после их образования и не по­падают повторно под зубья долота. Поэтому дальнейшее увеличение числа Рейнольдса не способствует заметному увеличению механической скорости проходки за счет улучшения качества очистки забоя. Однако это не исклю­чает дальнейшего повышения эффективности работы долота путем увели­чения осевой нагрузки и частоты его вращения, скорости истечения буро­вого раствора из насадок долота и т.д.

Для практического применения результатов описанных исследований и экспериментов предлагается использовать понятие индекса механической скорости проходки (ИМС), который связывают с числом Рейнольдса сле­дующими эмпирическими зависимостями: при Re < 1900 ИМС = 0,04; при 1900 ≤ Re ≤ 5104
ÈÌÑ = 0,001 Re0,45; ïðè 5-Ю4 ≤ Re ≤ 5105 ÈÌÑ = = 0,01 Re0,27; ïðè Re > 5105 ÈÌÑ = 0,32.

Индекс механической скорости проходки отражает лишь влияние свойств бурового раствора и режима циркуляции в поддолотной зоне на качество очистки забоя от выбуренной породы, но он не учитывает эффект размыва забоя гидромониторной струей. Для перехода через этот показа­тель ИМС к абсолютному значению механической скорости проходки не­обходимо знать для данных конкретных условий значение механической скорости и соответствующее ему значение ИМС:

^(ИМС)Х,

(ИМС)А

где Vmx и у„д — соответственно искомая и известная механическая скорость проходки; (ИМС)Х, (ИМС)А — индексы механической скорости проходки соответственно для гж и у„д.

Расчеты показывают, что при прочих равных условиях ИМС выше при меньшем числе насадок на долоте. Это подтверждено результатами промы­словых экспериментов: закупоривали в период долбления одну-две насадки долота, и при этом механическая скорость проходки никогда не уменьша­лась, а часто, наоборот, увеличивалась.

Таким образом, режим течения бурового раствора под долотом может существенно повлиять на показатели работы долота, так как служит опре­деляющим фактором в степени очистки забоя от шлама.

Из отечественной и зарубежной практики бурения скважин известно, что по мере увеличения скорости истечения бурового раствора из отвер­стий долота разрушение забоя долотом интенсифицируется. Это обуслов­лено, с одной стороны, увеличением количества подаваемой к забою про­мывочной жидкости, а с другой — увеличением кинетической энергии струи, бомбардирующей поверхности забоя. Механическая скорость про­ходки тесно коррелируется с гидравлической мощностью, срабатываемой на долоте, и со скоростью струи бурового раствора в насадках долота: с увеличением этих параметров механическая скорость проходки увеличива­ется.

Промыслово-экспериментальные работы (ВНИИБТ) при бурении ро­торным способом позволили установить, что с увеличением скорости исте­чения струи из насадок гидромониторных долот от 56 до 111 — 127 м/с при практически неизменной производительности циркуляции бурового рас­твора достигалось увеличение механической скорости проходки почти в 2 раза. Установлено, что с увеличением перепада давления на насадках до­лота от 2,0 до 10,5 МПа при производительности циркуляции 20 — 26 л/с механическая скорость проходки возрастала в 2 — 3 раза. Причем наиболее интенсивный рост механической скорости проходки отмечался в диапазо­не перепадов давлений на насадках 3,0 — 8,0 МПа. При перепаде на насад­ках более 9,0 МПа зависимость механической скорости проходки от скоро­сти истечения бурового раствора из насадок долота заметно ослабевала.

На основании выполненных работ в Ставрополье сделаны практически важные выводы о роли скорости истечения струи из насадок гидромони­торных долот в процессе разрушения пород на забое: при увеличении ско­рости истечения от 40 —70 до 100—110 м/с при бурении в мягких породах можно повысить механическую скорость проходки на 50—100 % и рейсо­вую скорость бурения — на 10 — 60 %; в породах средней твердости в этом случае можно достичь увеличения механической скорости проходки на 30-80%.

На эффективность размыва породы гидромониторной струей значи­тельно влияет гидростатическое давление: с увеличением его эффектив­ность размыва забоя струей снижается. Но если с технологической точки зрения положительная роль высокоскоростной струи в разрушении породы долотом очевидна, то целесообразность применения гидромониторных до­лот при бурении в разных геологических условиях определяется прежде всего прочностными характеристиками разбуриваемых пород.

Экспериментальным путем установлено (Б.В. Байдюк, Р.В. Винярский), что при действии гидромониторной струи на забой скважины могут на­блюдаться три частных эффекта, в совокупности определяющие роль струи в разрушении забоя.

Первый — эффект смыва с забоя сколотых частиц породы (шламовой подушки). Как было указано выше, он определяется не столько силой удара струи о забой, сколько режимом течения промывочной жидкости в поддо-лотной зоне. Второй заключается в выемке недоразрушенной породы и в разрушении перемычек между лунками, образовавшимися под зубьями до­лота. Третий заключается в непосредственном разрушении струей мате­ринской породы.

Согласно исследованиям Н.А. Колесникова, А.К. Рахимова и других выявляется четвертый эффект воздействия гидромониторной струи. С уве­личением скорости взаимодействия струи с забоем проницаемых горных

пород возрастает интенсивность смыва глинистой корки, что обусловливает рост давления на глубине разрушения и снижает напряжения в скелете породы. В итоге облегчаются условия и эффективность разрушения горных пород.

Частные гидромониторные эффекты зависят от соответствующего со­четания твердости и проницаемости породы. При этом суммарный гидро­мониторный эффект для одной и той же породы не является монотонной зависимостью от удельного давления струи на забой, а представляет собой сменяющие друг друга участки усиления и ослабления эффекта, а значения удельных давлений, соответствующие этим участкам, зависят от твердости и сплошности породы.

Итак, совершенствование гидравлической программы промывки сква­жин — важный резерв повышения скоростей бурения, особенно в мягких и средних породах, при использовании гидромониторных долот.

После установления влияния различных показателей технологического процесса промывки на скорости бурения скважин появляется возможность сформулировать основные требования к буровым растворам, которые вы­текают из необходимости обеспечения в процессе бурения минимального дифференциального давления на забое, минимальной толщины фильтраци-онно-шламовой подушки на забое, совершенной очистки забоя от обломков разрушенной долотом породы, максимальной силы удара о забой струи бу­рового раствора, вытекающего из насадок долота.

С позиций достижения наилучших показателей работы долот и повы­шения скоростей бурения скважин к буровым растворам можно предъя­вить следующие основные требования:

1) жидкая основа буровых растворов должна быть маловязкой и иметь
низкое значение поверхностного натяжения на границе с горными поро­
дами;

2)     в твердой фазе бурового раствора концентрация глинистых частиц
должна быть минимальной, а средневзвешенное по объему значение плот­
ности твердой фазы — максимальным;

3)     буровые растворы должны быть недиспергирующими под влиянием
изменяющихся  термодинамических условий  в  скважинах.   Они должны
иметь стабильные показатели технологических свойств;

4)     буровые растворы должны быть химически нейтральными по отно­
шению к разбуриваемым породам, не вызывать их диспергирования и на­
бухания;

5)     буровые растворы не должны быть многокомпонентными система­
ми,  а используемые для регулирования их свойств химические реаген­
ты, наполнители и добавки должны обеспечивать направленное измене­
ние каждого технологического показателя при неизменных других показа­
телях;

6)     желательно, чтобы буровые растворы в своем составе имели не ме­
нее 10 % смазывающих добавок, а также содержали газообразную фазу.

Естественно, эти общие требования не являются догмой, а их выпол­нение во многом зависит от геолого-технических условий бурения. Однако они позволяют выбрать именно тот раствор, который не только исключит осложнения и аварии в скважине, но и обеспечит высокие скорости ее бу­рения. В каждом конкретном случае необходимо решать комплексную за­дачу о целесообразности применения того или иного раствора с учетом технической вооруженности буровой установки, оперативности снабжения

ее материалами,  квалификации работников,  географического положения скважины и т.д.

Выполнение на практике сформулированных общих требований к бу­ровому раствору необходимо, но недостаточно для выбора бурового рас­твора с целью обеспечить сохранность проницаемости продуктивного го­ризонта. Критерии выбора несколько иные. Безусловно, только реализация наиболее полного комплекса предложенных мероприятий позволит достичь заметного повышения эффективности бурения скважин. Использование лишь некоторых мероприятий вряд ли позволит достичь стабильного тех­нологического и экономического эффекта.