Архив метки: скорость

ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ НА СКОРОСТЬ БУРЕНИЯ

Добавить комментарий

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.

ВЛИЯНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СВОЙСТВ И ТИПОВ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ НА СКОРОСТЬ БУРЕНИЯ

Добавить комментарий

Основные показатели свойств бурового раствора (плотность, вязкость, показатель фильтрации, содержание и состав твердой фазы) зависят, пре­жде всего, от компонентного состава. Нет ни одного материала для буро­вых растворов, который бы сугубо избирательно воздействовал на показа­тели свойств приготовленной системы. С увеличением содержания твердой фазы возрастает плотность, но уменьшается показатель фильтрации. Обра­ботка растворов полимерами с целью уменьшения показателя фильтрации сопровождается повышением вязкости системы. Разжижение бурового рас­твора, как правило, увеличивает показатели его фильтрации.

Таким образом, основные показатели технологических свойств буро­вого раствора взаимосвязаны. Однако путем комбинации реагентов удается избирательно регулировать любой показатель при фиксировании осталь­ных. Поэтому представляется целесообразным рассмотреть степень влия­ния каждого показателя на эффективность работы долот и скорость буре­ния скважин. Но при вскрытии продуктивного пласта остается не решен­ной проблема ненарушения его проницаемости.

Качественные зависимости механической скорости проходки от пока­зателей свойств бурового раствора свидетельствуют о том, что эффектив­ность работы долота ухудшается по мере увеличения плотности, количества твердой фазы, вязкости раствора и уменьшения фильтрации. Однако эти зависимости не равнозначны. Наибольшее влияние на механическую ско­рость проходки оказывают плотность и наличие твердой фазы бурового раствора. Воздействие вязкости всегда заметно, но менее существенно. Что касается показателя фильтрации, то его влияние установлено, однако ско­рее обусловлено изменением вязкости: с увеличением показателя фильтра­ции уменьшается вязкость бурового раствора.

Путем обработки промысловых данных методами математической ста­тистики удалось установить, что с увеличением плотности р бурового рас­твора механическая скорость проходки гиперболически понижается. Осо­бенно это заметно в интервале р = 1,0+1,5 г/см3.

Убедительные данные получены при бурении скважин на Кубани, где уточнены требуемые значения гидростатических давлений в скважинах ряда площадей, в результате чего появилась возможность понизить плот­ность бурового раствора.

На примере площадей Днепровско-Донецкой впадины В.П. Мациев-ский показал влияние плотности бурового раствора на механическую ско­рость проходки. С увеличением плотности бурового раствора от 1,2 до 1,4 механическая скорость проходки уменьшалась почти вдвое.

Плотность бурового раствора, г/см3………………..     1,20         1,24         1,28         1,32         1,35         1,40

Механическая скорость проходки, м/ч………     7,4           6,6            6,0            5,0            4,5            4,2

Данные бурения скважин показывают отрицательное влияние твердой фазы на показатели работы долот. По мере увеличения общего содержания твердой фазы скорость vM и проходка на долото, как правило, уменьша­ются.

Влияние твердой фазы на показатели работы долот зависит от способа бурения. Результаты бурения на севере Тюменской области (М.В. Холик и др., 1980) показали, что наиболее вредно на работу долот влияет твердая фаза при турбинном бурении.

Влияние на механическую скорость проходки содержания твердой фа­зы в растворе исследовано П. Муром. Снижение содержания твердой фазы от 36 до 4 % способствует росту механической скорости проходки. При этом уменьшение количества твердой фазы в области высоких ее концен­траций, например, от 24 до 20 % приводит к увеличению vM всего на 3 %, а уменьшение в области более низких концентраций, например, от 12 до 8 % обеспечивает прирост vM на 9 %. Эта тенденция усиливается по мере даль­нейшего снижения содержания твердой фазы в растворе.

Природа воздействия твердой фазы бурового раствора на эффектив­ность разрушения горных пород выражается кроме повышения плотности

бурового раствора в ухудшении условий зарождения и распространения трещин, формирующих лунку выкола.

Более детальный анализ показывает, что разные материалы, состав­ляющие твердую фазу буровых растворов, по-разному влияют на показате­ли бурения скважин.

Материал……………………………………………………………………..        Áàðèò        Áóðîâîé øëàì       Ãëèíà

Снижение механической скорости проходки,  %,  при

увеличении содержания твердой фазы на 1 %………………..        2,6              4,8                            6,7

Примечание. Общее содержание твердой фазы 4—12 % (по объему).

При эквивалентном объемном содержании частиц бурового шлама и барита снижение скорости в первом случае в 2 раза больше, чем во вто­ром. Если учесть, что барит повышает плотность бурового раствора в 2 раза эффективней, чем шлам, то становится очевидным, что при необходи­мости увеличения плотности бурового раствора следует использовать более тяжелые материалы (например, барит), а не выбуренную породу, стремясь всегда к минимизации объемного содержания его твердой фазы.

Особенно неблагоприятно влияет на работу долота глинистая состав­ляющая бурового раствора: на каждый процент увеличения глинистых час­тиц в растворе потеря в механической скорости проходки составляет 6 — 7 %, т.е. более чем в 2,5 раза больше, чем при увеличении на 1 % концен­трации барита. Отсюда можно сделать вывод, что в буровом растворе не­обходимо иметь минимальную концентрацию глинистых частиц и тщатель­но контролировать и регулировать ее.

Влияние вязкости бурового раствора на механическую скорость про­ходки менее существенно, чем влияние плотности, однако оно часто замет­нее и однозначнее.

С увеличением условной вязкости бурового раствора в среднем от 4 — 20 до 8— 120 с (по СПВ-5) механическая скорость проходки уменьшается на 20 — 40 %. Особенно заметно это в области повышенных плотностей (1,3 — 1,4 г/см3) бурового раствора (А.Н. Яров, А.Н. Мельничук).

Особенно тесная корреляция в стендовых условиях наблюдается меж­ду механической скоростью проходки и вязкостью фильтрата бурового раствора. При изменении его вязкости от 210~3
до 810~3 Па-с механиче­ская скорость проходки линейно уменьшается как для шарошечных, так и для алмазных долот в 1,5 — 2 раза.

Итак, теоретические, лабораторные и промысловые данные подтвер­ждают, что показатель вязкости бурового раствора (или его фильтрата) влияет на эффективность разрушения долотом пород на забое: с увеличе­нием этого показателя условия разрушения пород ухудшаются.

Статистические данные о бурении скважин в Днепровско-Донецкой впадине показывают, что механическая скорость проходки надежно корре-лируется с показателем фильтрации используемого бурового раствора. Увеличение механической скорости проходки отмечается в связи с ростом показателя фильтрации во всем диапазоне изменения плотности. Особенно это заметно при повышенной плотности бурового раствора, когда при из­менении показателя фильтрации от 5 до 30 см3 за 30 мин механическая скорость проходки увеличивается в среднем на 20 — 50 %.

Природа воздействия фильтрации буровых растворов на механиче­скую скорость проходки выражается в изменении гидродинамических про­цессов в разрушаемом на забое слое породы.

Для достижения высоких vM необходимо, чтобы начальная фильтрация буровых растворов в момент разрушения породы на забое была высокой, так как это способствует быстрейшему выравниванию перепада давления. Однако при вскрытии продуктивных объектов к выбору показателя фильт­рации растворов необходимо подходить избирательно и осторожно, так как качество вскрытия пласта — основной показатель успеха бурения.

Зарубежный и отечественный опыт убеждает, что от степени совер­шенства технологии промывки скважин в значительной мере зависят ме­ханическая скорость проходки и проходка на долото — основные техниче­ские показатели бурения скважин. Правильно выбранные тип бурового раствора, показатели его технологических свойств, режим циркуляции и распределение гидродинамических давлений в циркуляционных каналах позволяют довести эти технические показатели до максимума, а вероят­ность возникновения осложнений свести к минимуму.

В современной технологии промывки скважин еще много неисполь­зованных возможностей.

Переход в зарубежной практике бурения скважин на применение бу­ровых растворов с содержанием твердой фазы на 3 — 4 % (вместо 10—12 %) позволил увеличить проходку на долото до 40 %, механическую скорость проходки — до 30 %. Снижение концентрации глинистых частиц на 1 % позволило получить приращение механической скорости проходки в сред­нем íà 6 — 7 %.

Из практики бурения скважин известно, что буровой раствор на угле­водородной основе обходится очень дорого. К тому же он создает опреде­ленные неудобства для обслуживающего персонала и часто пожароопасен. Однако с помощью таких растворов можно достичь тех результатов, кото­рых невозможно достичь растворами на водной основе, например, при вскрытии продуктивных горизонтов.

Растворы на углеводородной основе могут обеспечить высокие показа­тели работы долот. Такие растворы более устойчивы к высоким температу­рам, позволяют избежать осложнений при бурении солевых отложений и пород, склонных к набуханию в водных средах.

Положительна роль раствора при наличии сероводорода и двуокиси углерода, так как дисперсионная среда раствора неэлектропроводна. Умело регулируя водосодержание в них, можно на длительный период избежать осыпей и обвалов в неустойчивых глинистых разрезах.

В 1967 г. СР. Lawhon сообщил результаты экспериментов по определе­нию влияния воды в дизельном топливе на скорость проходки в известня­ках проницаемостью (0,35—1,3)-10~13 м2 и в песчаниках проницаемостью до 510~13 м2 при бурении шарошечным долотом малого диаметра (d я я 32 мм). Он установил, что скорость проходки с чистым дизельным топли­вом составляла 98 % скорости проходки при бурении на воде; для бурового раствора она составляла 86 %; при увеличении содержания воды от 5 до 40 % относительная скорость проходки несколько увеличилась (на 7 %).

На основе своих опытов СР. Lawhon сделал следующие выводы:

1. Маловязкий раствор на нефтяной основе, в частности дизельное то­
пливо, позволяет получить такую же скорость проходки, как и с использо­
ванием технической воды.

2.      Растворы на углеводородной основе с высокой концентрацией воды
позволяют обеспечить примерно такую же скорость проходки, как и высо­
кокачественные буровые растворы на водной основе с оптимальной добав-

кой смазывающих веществ (нефть, гудроны и др.). Позже эти выводы были подтверждены.

Положительный опыт применения в качестве бурового раствора гид­рофобной эмульсии, стабилизатором для которой служит многотоннажный продукт нефтехимической промышленности — окисленный петролатум, описан А.Г. Розенгафтом. Путем введения в эту эмульсию гидроокиси кальция достигается хорошая агрегативная устойчивость, позволяющая увеличить ее «глиноемкость» до 20 % по весу. Такая эмульсия включает в себя 45 % дизельного топлива или нефти, 50 % воды, 5 % окисленного пет-ролатума, 3 — 5% гидроокиси кальция. В зависимости от минералогического состава хемогенных пород вода может насыщаться хлористыми солями на­трия, магния или кальция.

В Мамонтовском УБР объединения «Зипсиббурнефть» разработан и внедрен маловязкий нефтеэмульсионный буровой раствор, который полу­чают, добавляя в буровой раствор на водной основе нефть совместно с эмульгатором неионогенного типа и переводя его в устойчивую эмульсию.

Применение такого раствора при бурении скважин позволило улуч­шить показатели работы долот: проходка на долото увеличилась в среднем на 15 %, а механическая скорость проходки — на 7 %.

Применение нефтеэмульсионных растворов позволяет сохранить ус­тойчивым ствол скважины в глинистых отложениях, что не ухудшает пока­затели долота, а способствует улучшению выноса керна и сохранению ес­тественной проницаемости нефтеносных горизонтов.

Преимущества растворов на углеводородной основе (РУО) по сравне­нию с растворами на водной основе объясняются следующим:

1.      Фильтрат РУО представлен углеводородами, благодаря ему исключа­
ется набухание глинистых минералов, сохраняется естественная устойчи­
вость глинистых резервов и естественная проницаемость гранулярных кол­
лекторов, в цементирующем веществе которых присутствует глина.

2.      РУО не только предотвращает диспергирование шлама, особенно
при бурении в глинах, но и агрегирует мелкие частицы в более крупные. В
результате этого не только улучшается степень очистки забоя и ствола
скважины от обломков породы, но и резко повышается эффективность
очистки промывочной жидкости от шлама.

3.      РУО обладает хорошей смазывающей способностью, в результате
чего не только уменьшается вероятность затяжек-посадок, прихватов бу­
рильной колонны, степень ее скручивания при вращении ротором, но са­
мопроизвольно увеличивается нагрузка на долото в связи с уменьшением
силы трения труб о стенки скважины при одинаковых значениях осевых
нагрузок,    определяемых    на    поверхности    по    индикатору   веса.    Это
способствует увеличению скорости проходки.

4.      Вязкость РУО уменьшается при повышенных температурах, что мо­
жет стать положительным фактором при бурении глубоких высокотемпе­
ратурных скважин, так как вызывает раннюю турбулизацию потока под
долотом.

Однако, несмотря на все эти преимущества, буровые растворы на уг­леводородной основе следует рассматривать как предназначенные главным образом для вскрытия нефтегазоносных горизонтов и бурения в разрезах, осложненных неустойчивыми глинистыми породами, хемогенными отло­жениями и массивом многолетнемерзлых пород. Более широкому их при­менению будут и впредь препятствовать высокая стоимость, неудобство в

обслуживании, взрыво- и пожароопасность, расход важных материалов, трудность хранения и утилизации после окончания бурения скважины, а также другие проблемы, связанные с качеством крепления скважин и ра­зобщения пластов, глубинными геофизическими исследованиями и охра­ной окружающей среды.

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Добавить комментарий

Горные породы разрушаются вследствие отрыва (от нормальных на­пряжений) или сдвига, скалывания, среза (от касательных напряжений). При сжатии порода разрушается преимущественно на скалывание, при растяжении — на отрыв. Разрушение горных пород — процесс сложный, и разрушения на скалывание и отрыв сопровождают друг друга.

Процесс разрушения требует времени и происходит постепенно, но с различной скоростью. Разрушение обычно проходит по контактным по­верхностям отдельных минеральных зерен. Продолжительность разруше­ния для одной и той же породы при прочих равных условиях определяется нагрузкой, температурой, активностью среды, напряженным состоянием и ò.ä.

При бурении скважин разрушение горных пород долотами различного типа может быть поверхностным и объемным. Первый вид разрушения обычно неэффективен — он сводится к дроблению, истиранию, выламыва­нию из массива и проталкиванию в направлении движения инструмента частиц породы. Не вдаваясь в более подробное рассмотрение процесса, связанного с возникновением своеобразного клина из выломанных и пере­двигаемых частиц, создающих распор и способствующих разрушению по­роды, а также механизма их истирания, остановимся на объемном разру­шении горных пород.

Очевидно, разбуривание породы долотом с известным приближением можно рассматривать как процесс вдавливания в породу наконечника (штампа) с плоским и криволинейным основаниями.

Переход от меньшей степени нагрузки на штамп к большей изменяет скорость деформации. При этом различаются три фазы напряженного со­стояния породы под штампом: уплотнение (затухание деформации), пре­дельное равновесие (разрывы и сдвиги) и разрушение.

В первой фазе скорость деформации уменьшается до нуля; в скальных породах при этом деформации являются упругими; в глинистых пластич­ных породах первая фаза — это фаза уплотнения. При разрушении горных пород первая фаза характеризуется поверхностным разрушением.

Во второй фазе скорость деформации не затухает, и при некоторой нагрузке деформация ползучести становится постоянной. Внешним прояв­лением второй фазы деформации, по B.C. Федорову, являются появление скалывания по контуру давления в хрупких породах (появление клинооб­разного углубления) или пластические деформации у пластических пород. При всестороннем сжатии (под штампом сферической формы) порода ха­рактеризуется физико-механической неоднородностью. Любой дефект — вероятный очаг концентрации перенапряжений, вызывающий рост тре­щин.

При увеличении напряжения и росте сети трещин в породе возникают поверхности следующих друг за другом сдвигов, характеризующих дефор­мации. Происходит объемное разрушение породы, причем в реальных гор­ных породах, характеризующихся наличием дефектов, процесс разрушения идет и при нагрузках более низких, чем критические, но медленно. Дли­тельность второй фазы определяется нагрузкой и условиями, в которых происходит процесс разрушения (температура, активность и т.д.).

Третья фаза, по B.C. Федорову, — это фаза прогрессивного роста де­формаций, фаза объемного разрушения. Для скальных пород она длится доли секунды.

Три фазы разрушения составляют полный цикл разрушения горной породы. Ярко выраженный скачкообразный характер наблюдается у хруп­ких прочных пород. У хрупких, но менее прочных пород цикличность по­вторяется, но скачкообразный характер не столь ярко выражен. Мало­прочным породам свойствен еще более плавный характер разрушения. При разрушении пластических глин скачкообразности вообще не наблюдается.

При ударном воздействии горные породы могут разрушаться при на­пряжениях меньше критических, соответствующих пределу прочности. При некотором значении силы порода разрушается после первого удара. Уменьшение силы требует увеличения числа ударов по одной и той же точке. Ниже некоторого значения силы разрушения породы не произойдет при любом числе ударов.

Разрушение породы при циклических напряжениях обусловливается ее усталостью. Число циклов нагружения при напряжениях, близких к пределу усталости, необходимое для разрушения таких пород, как мрамор, известняк, доломит, кварцит, составляет 50—110. Отношение предела уста­лости к прочности для этих пород в зависимости от пластичности колеб­лется в пределах от 1/21 до 1/29.

Установлено, что в процессе вдавливания наконечников разрушение породы наступает при их погружении на 0,10 — 0,25 мм, а продолжитель­ность цикла разрушения породы составляет около 0,002 с. Таким образом, скальные породы разрушаются без внедрения в них зубцов шарошек. При большей продолжительности контакта зубцов с породой происходит их по­гружение, но не в материнскую породу, а в продукты ее разрушения. Меньшей, но продолжительно действующей силой можно достигнуть боль­шего разрушительного эффекта, чем большей силой, но действующей мгновенно. Следовательно, в реальных условиях при бурении с увеличени­ем частоты вращения долота необходимо увеличивать осевую нагрузку. На эффект разрушения горных пород частота вращения долота оказывает двоякое влияние: эффективность разрушения возрастает, но вместе с тем снижается продолжительность контакта зубцов шарошки с породой, что снижает эффективность разрушения.

При поверхностном разрушении механическая скорость проходки увеличивается пропорционально росту частоты вращения.

Порода разрушается и при действии на нее струи жидкости, которая истекает из отверстий долота, причем следует выполнять следующие усло­вия: поток жидкости должен оказывать на забой давление р„ скорость пе­ремещения струи v относительно плоскости забоя не должна превышать некоторой величины, конкретное значение которой зависит от р,- и прочно­сти породы RC7R.

Между этими величинами установлена эмпирическая зависимость р,- > > к$11сж, что справедливо при v = 0,5 м/с (здесь &0 — опытный коэффици­åíò, ðàâíûé 0,25-0,35).

Для конкретных условий бурения максимальная механическая ско­рость проходки будет только при определенном сочетании частоты враще­ния, осевой нагрузки на долото и расхода жидкости. Этот расход — опти­мальный. Рекомендуется подбирать соответствующее сочетание параметров гидромониторной струи, обеспечивающее окончательный отрыв и увлече­ние частиц, преодоление угнетающего их перепада давления, образующе­гося при непрерывном процессе фильтрации жидкости в зону разрушения.

Выбор оптимальных процессов, связанных с бурением скважины, пока невозможен из-за различных технико-технологических трудностей и не­знания упругих, пластических, прочностных и абразивных свойств горных пород. Тем не менее, пользуясь обобщенными показателями, характери­зующими свойства горных пород, можно добиться существенных результа­тов. Один из таких показателей — буримость горных пород.

Под буримостью понимают углубление скважины за 1 ч собственно бурения — так называемую механическую скорость проходки vM (м/ч). Эта скорость с течением времени вследствие износа долота экспоненциально уменьшается.

При правильно подобранных режимах бурения, когда обеспечивается объемное разрушение горных пород, механическая скорость изменяется обратно пропорционально твердости. Она зависит также от других свойств (упругости, пластичности и др.).

Если породы определенной группы разбуривают долотами одной и той же модели, одного размера, при постоянных режимах бурения, то по темпу снижения механической скорости проходки можно судить об относитель­ной абразивной способности пород.