УПРАВЛЕНИЕ ОЧИСТКОЙ ЗАБОЯ СКВАЖИНЫ ПРИ БУРЕНИИ
ШАРОШЕЧНЫМИ ДОЛОТАМИ
А. ГУСМАН, ОАО НПО "Буровая техника"-ВНИИБТ
Главным принципом управления очисткой забоя бурящейся скважины является раздельное управление каждым из трех различных по своей физической природе процессов очистки, а именно: очистка поверхности забоя (первый процесс очистки), очистка призабойной зоны (второй процесс очистки) и очистка вооружения долота (третий процесс очистки).
Различные геолого-технические условия проводки скважины предопределяют, какой из названных процессов доминирует в каждом конкретном случае, т. е. в большей степени ограничивает показатели работы долот. Например, при высоких дифференциальных давлениях преобладает первый процесс очистки, при незначительных, в особенности при промывке скважин водой, доминирующим является второй процесс очистки, а при бурении в мягких вязких породах и на небольших глубинах - третий процесс очистки. В большинстве случаев при доминанте одного из процессов существенным является влияние одного из двух других. Однако практически не встречаются условия бурения, при которых влияние всех трех процессов одинаково существенно. Более того, не существует, например, условий, при которых первый и третий процессы одновременно и одинаково значимо влияют на очистку забоя.
Рассмотрим физические особенности каждого из трех процессов очистки и методы их интенсификации.
Изучению первого процесса очистки забоя был посвящен обширный цикл работ, проведенных еще в 50-60-х гг. в основном американскими исследователями с использованием стендов, моделирующих гидростатическое, пластовое и горное давление на забое. В результате этих исследований, которые в настоящее время можно в полной мере считать классическими, было установлено, что основными факторами, интенсифицирующими отделение шлама от поверхности забоя, являются снижение дифференциального давления и вязкости промывочной жидкости, а также струйное воздействие на поверхность забоя бурящейся скважины. При этом был сделан ошибочный вывод об эффективности гидромониторных долот практически для всех горно-геологических условий бурения. В то же время проведенные нами широкие исследования гидромониторных долот с повышенными скоростями истечения (до 120 м/с)
в условиях месторождений Башкирии на глубинах до 2100-2400 м при промывке скважин водой в основном в карбонатных породах, характерных для большинства месторождений Урало-Повол-жья, показали их абсолютную неэффективность по сравнению с долотами, имеющими центральную схему промывки. В этих условиях струйное воздействие на поверхность забоя, т. е. на первый процесс очистки, является излишним, поскольку при промывке водой и на относительно небольших глубинах этот процесс протекает благоприятно за счет минимальных или нулевых дифференциальных давлений и активной фильтрации воды в зону разрушения и предразрушения без какого-либо струйного воздействия. Таким образом, выравнивание давлений над и под частицей шлама, что является условием ее отрыва от поверхности забоя, весьма интенсивно происходит и без дополнительного воздействия на поверхность забоя. Однако это объясняет отсутствие роста показателей работы гидромониторных долот по сравнению с долотами, имеющими центральную схему промывки, но не объясняет полученное существенное снижение показателей гидромониторных долот в этих условиях.
Вместе с тем этот результат легко объясняется при включении в рассмотрение второго процесса очистки. Как показали наши экспериментальные исследования, гидромониторная схема является наиболее неблагоприятной с точки зрения именно выноса шлама из призабойной зоны. Дело в том, что вращающиеся с большой частотой струи жидкости образуют практически непреодолимую преграду для выноса шлама из зоны долота в за-трубное пространство. Шлам отражается снова на забой или попадает в "завес" долота, где повторно измельчается. В результате в среднем 80% шлама вторично измельчается, а на отдельных режимах эта цифра приближается к 100%. Задача состоит в том, чтобы кардинально снизить эти отрицательные факторы, привносимые в общий процесс очистки забоя гидромониторной схемой промывки.
Нами были изучены более 30 схем промывки гидромониторного долота при различных режимных параметрах и конструктивных особенностях самих долот с точки зрения второго процесса очистки забоя. Наиболее эффективными решениями являются варианты асимметричной схемы
промывки, удлинение насадок, комбинация центральной и периферийной схем на одном долоте, отверстия в лапах, освобождение проемов между лапами долота от бобышки под насадки, заглубление бобышки в тело лапы, направление струи под углом к вертикали на периферию забоя и ряд других конструктивных изменений общепринятой гидравлической системы буровых долот.
Весьма существенную роль для второго процесса очистки забоя играет и внешняя конфигурация долота, в особенности его лап, проемы между которыми являются главными каналами связи забоя с затрубным пространством. В связи с этим максимально возможное увеличение живых сечений в проемах между лапами и угла наклона затылков лап, что увеличивает "завес" долота на определенной высоте от забоя, и другие конструктивные особенности способны, как показали стендовые испытания, существенно улучшить вынос шлама из зоны долота. Строго говоря, внешняя конфигурация долота может рассматриваться в качестве важного фактора схемы его промывки.
Принципиально важно, чтобы эти изменения не ослабляли конструкцию самого долота. Например, комбинированная схема с тремя удлиненными и центральной насадками позволила снизить уровень вторичной измельчаемости шлама до 24,6% против 80,2% для обычной гидромониторной схемы. При этом реализация такой схемы не представляет трудностей и никак не отражается на конструкции вооружения и опор. Даже установка одной из насадок, существенно меньшей двух других по диаметру, как показали эксперименты, способна улучшить показатели выноса шлама за счет создания эффекта асимметрии выносящего потока. При этом основной вынос шлама происходит в проеме, где работает уменьшенная насадка, не создающая столь значительных препятствий для выноса шлама, как в проемах, где работают насадки большего диаметра. Таким образом, целенаправленное управление процессами очистки забоя возможно путем даже незначительных, на первый взгляд, изменений гидравлических узлов, которые никак не отражаются на других конструктивных элементах долота и одновременно не ухудшают протекание других процессов очистки забоя, т. е. делают схему промывки относительно универсальной.
Рассмотрим более подробно результаты экспериментального исследования третьего процесса -очистки вооружения долота от сальника. Необходимо подчеркнуть, что так называемая самоочистка долот типа М и аналогичных им за счет механического воздействия вооружения долота на породу, запрессованную в межвенцовых пространствах, происходит только до износа зубьев на 20-25%. В дальнейшем в течение большей части рейса долота самоочистки межвенцовых пространств не происходит. Однако это только одна причина неэффективности самоочистки. Другая, более важная, связана с тем, что межзубцовые пространства, ответственные за "агрессивность" вооружения, в принципе не могут самоочищаться иначе, как гидравлическими методами.
Поскольку экспериментальное исследование очистки вооружения долота в стендовых условиях никогда ранее не проводилось, особое внима-
ние уделялось методике испытаний. В результате была определена четырехкомпонентная смесь из песка, цемента, алебастра и воды и соответствующее соотношение между этими компонентами для воспроизведения сальника на вооружении долота. Указанная масса наносилась на вооружение долота до вершин зубьев шарошек, и долото с указанным сальником в течение определенного времени выдерживалось в печи при температуре 2000 С для закрепления его на вооружении. Эффективность очистки определялась по массе удаленного с вооружения сальника в процентах в течение 30 секунд промывки в конкретных для данного эксперимента условиях. Расход во всех опытах был постоянным и составлял 11 л/с, частота вращения долота - 200-400 об./мин., скорость истечения - 45-85 м/с. Исследовались обычная гидромониторная схема промывки с тремя обычными насадками, асимметричная схема с двумя обычными насадками, центральная с одной центральной насадкой и специально разработанные ориентированные схемы промывки с насадками, направленными в различные области забоя и межшарошечного пространства.
Проведенные эксперименты дали вполне ожидаемый результат: гидромониторная схема промывки положительно воздействует на очистку периферийных венцов, а центральная - на очистку центральных. При этом асимметричная схема менее эффективна, чем две указанные базовые.
Рассматривался вопрос о том, как создать схему промывки, при которой непрерывной эффективной очистке подвергается все вооружение долота. В результате была предложена ориентированная схема промывки, предусматривающая одну обычную насадку и две изогнутые, ориентированные таким образом, что струи жидкости направлены внутрь долота. Будем называть зенитный угол наклона насадки (струи) внутрь долота по направлению в межшарошечное пространство отрицательным в отличие от положительного, как у обычных насадок, направленных наружу к периферии забоя. Для гидравлической обработки практически всего вооружения достаточно выполнить изогнутыми только две насадки, а третью оставить в обычном положении. Эти схемы были изучены экспериментально. Кроме того, изучались схема с двумя насадками, имеющими положительные, но разные углы, и одной изогнутой внутрь, асимметричная схема с двумя изогнутыми насадками, а также схема с отверстиями в лапах при ориентированных насадках.
В результате экспериментальных исследований ориентированных схем промывки оказалось, что наилучшие показатели обеспечила схема промывки с углами насадок +180, -80 и -60. Более того, при скорости истечения 85 м/с эта схема обеспечила полное удаление сальника с вооружения долота, что почти в два раза лучше, чем для гидромониторной (56,1%) и центральной (50,8%), и в три р
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.