технологии
34
О влиянии режимов механического разрушения на эффективность гидромониторного разрушения при бурении
Е.Т. СТРУГОВЕЦ
Многосторонние стендовые исследования разрушения горных пород высоконапорными струями жидкости при давлениях до 1,5 тыс. атм. применительно к условиям гидромеханического и эрозионного способов бурения в сочетании с теоретическими исследованиями этих процессов привели к выявлению основных закономерностей гидромониторного разрушения и достаточно простым и надежным схемам расчета. Перепад давления в гидромониторных насадках рн для разрушения горных пород размывом можно определить из соотношения [1,2] 5
Р А-
1 ь + а )'
^м. .. 'it .
:и ь (1)
где к — коэффициент гидромониторного разрушения, зависящий главным образом от свойств промывочной жидкости (прежде всего наличия в ней твердой фазы и абразива) и времени контакта струи с разрушаемой преградой; Ссж — прочность преграды на одноосное сжатие; р — коэффициент расхода насадки; Ь — коэффициент, определяющий темп падения давления струи на преграду по мере ее удаления; а — коэффициент, определяющий темп расширения струи по мере удаления ее от среза насадки; йн — диаметр выходного отверстия насадки; б — глубина формируемой струей канавки.
В таблице приведены данные о прочности горных пород геологическо-
INFLUENCE OF MECHANICAL DESTRUCTION FOR DRILLING EFFECTIVITY
E. STRUGOVETS
Serious researching of rock destruction by high-pressured jet under 1500 atm foir hydromechanical and erosion drilling to give real and easy scheme of calculating of project.
го разреза Западной Сибири на одноосное сжатие на глубинах до 2300 м [3].
Рассмотрим возможности разрушения этих пород размывом при низкооборотном бурении струями. Примем частоту вращения гидромониторного бура п = 1,5 с-1, диаметр насадки йн = 10 мм, а углубление забоя за один оборот б = 2йн. Эта заданная эффективность разрушения соответствует механической скорости бурения — 108 м/час. Остальные параметры известны или выявлены в ходе стендовых испытаний: р = 0,95, время контакта струи с забоем для принятого диаметра насадки йн и средних радиусов их расположения для долот №8 и 9 при п = 1,5с-1 составляет 25...30 мс, что в свою очередь для струй воды соответствует коэффициенту к = 1,4...1,5, а для струй глинистого раствора с плотностью 1100 кг/м3 — 0,7...0,75, коэффициент Ь = 1,64, коэффициент а = 0,32 [2].
Бурение первой пачки буримости (400...1160 м) осуществляется водой, далее — естественно наработанным глинистым раствором. Кроме того, принимается, что прочность пород первой пачки не превышает 15 МПа, далее — в пределах 10...30 МПа. Пропластки высокой прочности из рассмотрения исключены. Технология гидромеханического и эрозионного бурения предполагает наличие механического вооружения буров для разбуривания редких про-пластков.
Расчет требуемых перепадов давления в насадках рн для условно принятых условий и максимальной прочности пород (15 МПа в первой пачке и 30 МПа на больших глубинах) согласно равенству (1) показывает 20...25 МПа.
Ограниченные промышленные эксперименты бурения струями воды и глинистого раствора на Солкинском месторождении Западной Сибири (скв. №668 и 688) показали эффективность гидромониторного разрушения, которая соответствовала равенству (1).
Однако анализ показателей работы гидромониторных долот как при экспериментальном роторном бурении [4], так и при турбинном, показывал, что при сочетании гидромониторного разрушения с механическим эффект размыва забоя резко усиливается.
Указанная закономерность наиболее резко проявилась при широком внедрении низкооборотного бурения на базе долот режуще-складывающего действия РОС. Более 80% разреза разбуриваются со скоростью, которая показывает среднее углубление забоя за один оборот долота б (далее — «углубление за оборот»), кратно превышающее вылет резцов РОС. Это бесспорное доказательство разрушения забоя размывом. При этом перепад давления в насадках рн составлял не более 4...5 МПа. Если рассчитывать по равенству (1), то при этих давлениях гидромониторного разрушения не должно про-
исходить. Высокий прирост скорости от сравнительно малых рн объясняется следующим.
Низкооборотное бурение, особенно на базе долот РОС, значительно расширило границы объемного режима разрушения как за счет кратного увеличения времени контакта резцов с забоев, так и вследствие более надежных циклических сколов частиц породы по сравнению с условиями отделения части от забоя при вдавливании зубьев шарошечного долота. Только объемный режим разрушения способен существенно влиять на эффективность гидромонитора. Это связано с тем, что только при этом режиме происходит развитие зоны предразрушения. Зона предразрушения представляет собой большое количество локальных участков по форме усеченных конусов или ядер, где структура горной породы сильно изменена: порода раздроблена. Причем глубина этих участков многократно превышает глубины вдавливания зубьев или резцов, и относится этот механизм разрушения в равной степени как к условиям работы шарошечных долот, так и долот РОС [5].
В настоящее время отсутствуют методы оценки прочности пород зоны предразрушения. Ясно только, что эта прочность сильно отличается от прочности той же породы ненарушенного массива, которую приходится размывать при гидромеханическом и эрозионном бурении или при бурении долотами, когда зона предразрушения не образуется. О прочности пород зоны предразрушения можно судить только по перепаду давления рн, который обеспечивает эффект размыва. При рн = 4...5 МПа размыв, согласно (1), возможен только для пород, осж которых не превышает 10 МПа, т.е. 15% разреза. Фактически же более 80% разреза подвергаются эффективному гидромониторному разрушению при низкооборотном бурении долотами РОС. Анализ промыслового материала указывает на снижение сопротивляемости пород гидромониторному разрушению в развитых зонах предразрушения не менее чем в 3...5 раз по сравнению с ненарушенным массивом.
Наряду с высокой скоростью бурения за счет сочетания механического разрушения с гидромониторным, при усилении последнего за счет первого, около 5...10% разреза разбуриваются со скоростью, которая указывает на от-
технопогии
.а
Табл.
Наименование Прочность пород на одноосное сжатие О,МПа
до 10 10 - 20 20 - 30 30 - 50 свыше 50
Содержание пород соответствующей прочности, % 15 36 40 5 4
сутствие объемного режима разрушения. Как известно из стендовых испытаний, при объемно-усталостном, и особенно поверхностном, режиме зона предразрушения не образуется. В этих условиях высоконапорные струи встречают преграду, которая мало отличается от массива породы. Как следствие сопротивляемость резко возрастает и возможности размыва резко сокращаются.
С учетом того, что с увеличением глубин пропластки повышенной прочности встречаются все чаще, а их толщина увеличивается, и это происходит на фоне общего повышения осж разреза, возможности гидромониторного разрушения практически исчезают. В этих условиях более рационально при бурении забойными двигателями использовать часть гидравлической мощности для увеличения частоты вращения долот. Задача состоит в том, чтобы осуществить это без смены долота.
Итак, рассмотрим некоторые вопросы совершенствования техники и технологии низкооборотного бурения на базе долот РОС в условиях Западной Сибири на основании изложенных выше взаимосвязей и влияний.
В верхних интервалах разреза (до 1600 — 1800 м) перспективы увеличения механической скорости связаны (за исключением редких пропластков большой прочности) с повышением эффективности гидромонитора, поскольку углубление забоя за оборот превышает вылет резцов. Как видно из равенства (1), помимо очевидных рекомендаций увеличения рн в насадках существуют другие пути. Прежде всего следует повышать эффективность объемного разрушения и, следовательно, углублять зону предразрушения, т.е. снижать осж преграды для струи. Осуществить это можно за счет увеличения вылета резцов специального ряда. Другой практически нереализованный путь — увеличение длины начального участка струи 10 и ее компактности, что суммарно определяет дальнобойность струи. Стендовые исследования позволили выявить профиль канала истечения насадок, который повышает дальнобойность струи по сравнению с применяемыми насадками. Реализация
этого направления не требует дополнительных затрат. Нужно только правильное понимание процессов формирования высоконапорных струй в насадках разного профиля.
При бурении на больших глубинах, как уже отмечалось, возможности гидромониторного разрушения исключены как из-за менее интенсивных режимов механического разрушения, так и вследствие повышения прочности разбуриваемых пород. В то же время известно, что при низкооборотном бурении скорость бурения пропорциональна частоте вращения.
Требования рационального использования гидравлической мощности указывают на необходимость ее перераспределения: от долота к двигателю. Кроме того, эффективное разбурива-ние наиболее твердых пород требует специальных рядов резцов, которые бы не участвовали в работе при разбурива-нии верхних интервалов, и включались в работу только в интервалах малых скоростей бурения.
Литература
1. Е.Т. Струговец, А.Г. Биишев. Теоретические исследования эффективности гидромониторного разрушения от скорости истечения струи. Труды «Гипротюменнефтегаза». Вып. 33 // Тюмень, 1973.
2. Х.И. Акчурин, Е.Т. Струговец. Гид-
ромониторное разрушение горных пород при строительстве скважин // М., 2002.
3. Н.М. Ризванов, Е.Т. Струговец, А.Г. Биишев. Технологический регламент процесса бурения скважин на месторождениях Когалымской группы. РД39-0147276-518-87 Р // Уфа, 1988.
4. Е.Т. Струговец и др. Результаты применения роторного бурения в Западной Сибири. // Нефтяное хозяйство. 1972, №1.
5. Р.М. Эйгелес. Разрушение горных пород при бурении. // М., Недра. 1970.
6. Е.Т. Струговец. Особенности высокооборотного и низкооборотного бурения. //Нефтегазопромысловый инжиниринг, 2007, №1. ■
35
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.