Оптимизация выбора и режима работы долот

Для предприятий горнодобывающей  промышленности разработаны и изготавливаются  более 230 типоразмеров буровых  долот. Для получения  оптимальных результатов бурения важен выбор эффективных конструкций буровых долот под конкретные горно-геологические условия бурения. Выбор эффективных конструкций долот производится на основе комплексной оценки результатов анализа

-горно-геологических условий  бурения

-статистических данных  работ долота

-износа и причин выхода  из строя  работ долота

-конструктивных параметров  вооружения и опоры долота

-технико-экономических показателей  работ долота по результатам  промышленных испытаний

 

1.Выбор долота

Долота выбирают с учетом твердости, пористости, пластичности и  абразивности горных пород, свойств бурового раствора, характеристики забойных двигателей, ротора и его привода.

Для разбуривания высокоабразивных пород долота должны иметь:

-износостойкое вооружение и большую износостойкую поверхность;

-минимальную контактную площадь с целью объемного разрушения пород;

-минимальное скольжения для обеспечения минимума пути и работы трения;

-гидромониторные насадки, которые могли бы выполнить возможно большую часть работы по разрушению пород.

Практически для разбуривания высокоабразивных твердых, дающих хрупкое разрушение пород применяют трехшарошечные долота с большим числом твердосплавных зубков полусферической формы. Шарошки этих долот имеют минимальное скольжение и небольшую работу трения.

Для разбуривания высокоабразивных твердых упругопластичных пород необходимо создание больших деформаций. В этом случае используют долота типа ТКЗ и ТК.

В абразивных породах средней  твердости, мягких, упругопластичных используют долота типа СЗГ, МЗГ, имеющие крупные твердосплавные (зубки с наплавленным твердым сплавом на боковой поверхности и гидромониторные насадки.

Для разбуривания высокоабразивных упругопластичных пород высокой твердости, залегающих на большой глубине и в условиях возможных проявлений, используют долота К, ТКЗ.

В упругохрупких очень твердых и твердых невысокоабразивных породах используют долота типов ОК, К, ТК, ТКЗ и долота типа Т без твердосплавных зубков.

Для бурения пород средней  твердости, упругих и упругопластичных малоабразивных успешно используют шарошечные долота типов СТ, С, СГ, алмазные и ИСМ. При этом шарошечные долота применяют при бурении скважин небольших и средних глубин, а алмазные и ИСМ - больших глубин.В процессе бурения мягких пород могут использоваться шарошечные долота с крупным высоким зубом, большим шагом и большим скольжением долот.

Только при бурении  очень мягких пород (пластичных, неабразивных) могут успешно применяться двух- и трехлопастные долота. При бурении  в этих породах высокоскоростная струя бурового раствора (80-150 м/с) может  непосредственно разрушать породу, причем наличие твердой фазы в  нем (утяжелитель, глинистые частицы, шлам и специально введенные высокой  твердости и плотности металлические  частицы) будут повышать эффективность  этого процесса.

Выбор долота -  основной фактор стратегии выбора КНБК, а  также систем бурения и очистки  ствола. При бурении  скважин с  БОВ выбор долота нельзя основывать только на скорости проходки, пробуренном  интервале или затратах на единицу  проходки. Зачастую не рассматривают  взаимодействие долота с каждым элементом "системы". Поэтому при выборе долота следует рассматривать "большую  картинку", а не просто положительные  стороны долота с точки зрения продавца/инженера или бурильщика по наклонному бурению.

При выборе обычного долота следует учесть, как минимум, следующее:

1. Каково будет влияние  на самоискривление предложенного долота при роторном бурении и бурении забойным двигателем? Конструкция долота может оказывать значительное влияние на скорости набора угла и падения, особенно при роторной КНБК.

2. Соответствует ли долото, если его придется спускать  с двигательем-отклонителем (ДОЗ)? Предположительно КНБК с ДОЗ спускается с целью изменения направления ствола (а иначе системы с отклонителем в стволе быть не должно). Если это так, насколько управляемо/маневренно долото в каждом из буримых пластов? Сильно ли меняется выбор долота по сравнению с тем, если спускается система без ДОЗ.

3. Что представляет из себя буровая установка - полупогружную БУ или буровой судно? Условия неспокойного моря будут влиять на контроль за ориентированием инструмента, даже при использовании компенсатора вертикальной качки.

4. Достаточен ли проход  для шлама, чтобы предотвратить  проблемы при СПО? Помните,  что долото должно пройти через  слой шлама по всему участку  ствола с большим углом наклона.  На скважинах с БОВ существует  повышенный риск образования  сальников, свабирования, прихвата и /или закупорки.

5. Есть ли риск образования  сальников (особенно при использовании  нагрузки на долото)? Это наиболее  важно для скважин с БОВ  (по сравнению со скважинами  с малым углом наклона), поскольку  интервалы глинистых сланцев  намного больше, и долото будет  проходить через слой шлама.

 Кроме того, гидравлика  долота на скважинах с БОВ  часто хуже, поскольку допустимые  скорости потока и давление  ограничены.

6.   Какова вибрация  долота (особенно это касается  алмазных долот)? Это не касается    повреждения самого долота, а  вопрос предотвращения вибрации, вызывающей выход из строя  инструмента по ЗПБ и других  злементов в КНБК.

7.   Является ли конструкция  долота ограничивающим фактором  при увеличении скорости проходки? Часто случается так, что при  контролировании скорости проходки  из-за ряда ограничений, таких  как очистка ствола, контроль за направлением, проблемы с образованием сальников или других факторов, затрачивается много времени и сил в попытках поиска конструкций долота, с которыми можно было бы бурить быстрее, несмотря на все эти ограничения.

8.   Не влияют ли  нереальные требования по спуску  долот на конструкцию долота? Далее приведены примеры типичных  недостатков при выборе долот:

      а) Может  быть выбрано долото, которое  сможет пробурить участок очень  большой длины за один спуск.  Однако, исходя из опыта работ  в данной местности, может быть  нереально это делать из-за  возможных повреждений на забое  (например, инструмента ЗПБ, КПБ,  забойного двигателя, регулируемого  стабилизатора) или из-за других  проблем. Кроме того, тип долота  может не соответствовать для  отдельных литологических пластов,  для которых возможно, будет лучше  использовать более агрессивные  типы долот и бурить очень  быстро.

       б) “Тяжелый” тип долота может быть выбран для получения возможности пробурить весь ствол до ПГ, несмотря на то, что спуск-подъем будет производиться по различным причинам (шаблонировки, или подъем инструмента из скважины для произведения каротажа, отбора керна или по другим причинам). Каждый подъем на поверхность (или почти до поверхности) - это возможность оптимизировать работу долота

3.Показатели работы долота

 

Проходка на долото, h (м);

Время механического бурения  скважин долотом t (ч);

Механическая скорость проходки долотом, Vм = h / t (м/ч);

Рейсовая скорость бурения  скважин долотом, Vр = h / t+tсп (м/ч);

Эксплуатационные затраты  на 1 м проходки долота (стоимость 1 м  проходки), руб/м.

Проходка на долото (h) – количество метров, пробуренных скважин данным долотом от начала разрушения породы на забое до момента окончания его работы по углублению скважины.

Проходка за рейс долота (hр) – количество метров, пробуренных скважин данным долотом от начала разрушения породы на забое до момента окончания его работы по углублению скважины и подъема долота на поверхность, с целью его повторного использования для бурения скважин.

Обычно для шарошечных долот h = hр.

Для алмазных долот h = сумме hр.

Время механического бурения  скважин (tM) – количество часов работы долота при разрушении породы на забое.

Механическая скорость проходки – количество метров, пройденных данным долотом за единицу времени механического  бурения скважин.

Мехскорость проходки характеризует интенсивность разрушения породы на забое. Изменение текущей механической скорости связано с изнашиванием долота, чередованием пород по твердости, изменением режимных параметров в процессе отработки долота. Снижение механической скорости проходки свидетельствует о необходимости подъема долота.

Рейсовая скорость бурения  скважин – количество метров, пройденных данным долотом за единицу суммарного времени механического бурения  скважин, спуско-подъема долота и вспомогательных работ.

Рейсовая скорость определяет темп углубления скважины. Долото, поднятое при достижении максимума рейсовой скорости, обеспечивает наиболее быструю  проходку ствола скважины.

Эксплуатационные затраты  на 1 м проходки (стоимость одного метра проходки) равняются сумме  стоимости долота, а также всех расходов, необходимых для углубления скважины в данном интервале бурения  скважин, отнесенных к длине этого  интервала.

Эффективность бурения зависит  от комплекса факторов: осевой нагрузки на долото, частоты вращения долота, расхода бурового раствора и параметров качества бурового раствора, типа долота, геологических условий, механических свойств горных пород.

4.Параметры режима бурения

 Выделяют параметры  режима бурения, которые можно  изменять с пульта бурильщика  в процессе работы долота на  забое, и факторы, установленные  на стадии проектирования строительства  скважины, отдельные из которых  нельзя оперативно изменять. Первые называются управляемыми. Определённое сочетание их, при котором осуществляется механическое бурение скважины, называется режимом бурения.

 

 Режим бурения, обеспечивающий  получение наилучших показателей  при данных условиях бурения,  называется оптимальным. Иногда  в процессе бурения приходится  решать и специальные задачи  – проводка скважины через  поглощаюшие пласты, обеспечение минимального искривления скважины, максимального выхода керна, качественного вскрытия продуктивных пластов. Режимы бурения, при которых решаются такие задачи, называются специальными. Каждый параметр режима бурения влияет на эффективность разрушения горных пород, причём влияние одного параметра зависти от уровня другого, то есть наблюдается взаимовлияние факторов.

 Выделяют следующие  основные показатели эффективности  бурения нефтяных и газовых  скважин: проходка на долото, механическая  и рейсовая скорости бурения.

 Проходка на долото  Hд (м) очень важный показатель, определяющий расход долот на бурение скважины и потребность в них по площади и УБР в целом, число СПО, изнашивание подъемного оборудования, трудоемкость бурения, возможность некоторых осложнений. Проходка на долото в большей мере зависит от абразивности пород, стойкости долот, правильности их подбора, режимов бурения и критериев отработки долот.

 Механическая скорость (Vм):

 Vм = Hд / Тм

 где Hд - проходка на долото, м; Тм - продолжительность механического разрушения горных пород на забое или время проходки интервалов, ч.

 Таким образом, Vм - средняя скорость углубления забоя. Она может быть определена по отдельному долоту, отдельному интервалу, всей скважине Lс, по УБР и т.д.:

 Vм = Lс / Тм

 Выделяют текущую (мгновенную) механическую скорость:

 Vм = dh / dt

 При известных свойствах  горных пород механическая скорость  характеризует эффективность разрушения  их, правильность подбора и отработки  долот, способа бурения и режимных  параметров, величину подведенной  на забой мощности и ее использование.  Если в одинаковых породах  и интервалах одной скважины  скорость ниже, чем в другой, надо  улучшать режим. Изменение текущей  механической скорости связано  с изнашиванием долота, чередованием  пород по твердости, изменением  режимных параметров в процессе  отработки долота, свидетельствует  о целесообразности подъема долота.

 Рейсовая скорость

 Vр = Hд / (Тм + Тсп)

 где Hд - проходка на долото, м; Тм – продолжительность работы долота на забое, ч;

 Тсп – продолжительность спуска и подъема долота, наращивания инструмента, ч.

 Рейсовая скорость  определяет темп углубления скважины, она показывает, что темп проходки  ствола зависит не только от  отработки долота, но и от объема  и скорости выполнения СПО.  Если долго работать изношенным  долотом или поднимать долото  преждевременно, то Vр снижается. Долото, поднятое при достижении максимума рейсовой скорости, обеспечивает наиболее быструю проходку ствола.

 Средняя рейсовая скорость  по скважине выражается:

 Vр = Lс / (Тм + Тсп)

5.Влияние режимных параметров на показатели бурения

5.1.Влияние осевой нагрузки

 Разрушение горной  породы на забое механическим  способом невозможна без создания осевой нагрузки на долото. На рис. 5.1. показана зависимость механической скорости бурения Vм от осевой нагрузки G на трёхшарошечное долото при проходке мягких (кривая 1), средней твёрдости (кривая 2), твёрдых (кривая 3) и крепких (кривая 4) пород при неизменной низкой (до 60 об/мин) частоте вращения и достаточной промывке за короткий промежуток времени, когда изнашиванием долота можно пренебречь.

 Как видно из рисунка,  механическая скорость непрерывно  возрастает с увеличением осевой  нагрузки, но темп её роста  для мягких пород более быстрый,  так как больше глубина погружения  зубьев при одинаковой нагрузке. На стенде, и в промысловых условиях наблюдается изменение темпа роста Vм от G при переходе от разрушения пород истиранием при небольшой осевой нагрузке к разрушению пород в усталостной и объёмной областях

   Если скорость вращения долота неизменна и обеспечивается достаточная чистота забоя, величина углубления за один оборот dу возрастает с увеличением удельной осевой нагрузки Руд так, как это показано на рис. 5.2. (кривая ОАВС). При весьма малой нагрузке напряжение на площадке контакта зуба шарошки с породой меньше предела усталости последней; поэтому при вдавливании происходит лишь упругая деформация породы (участок ОА). Разрушение же породы в этой зоне, которую обычно называют областью поверхностного разрушения, может происходить путём истирания и, возможно, микроскалывания шероховатостей поверхности при проскальзывании зубка.