наука — производству
А
ВОЗМОЖНЫЕ ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА СКВАЖИН
X. АКЧУРИН, В. ИППОЛИТОВ, С. СОЛОМЕННИКОВ
Повышение эффективности разрушения горных пород шарошечными долотами при проводке глубоких скважин на нефть, газ и воду является одной из важных задач в строительстве скважин.
Для разрушения горных пород в настоящее время используется роторный способ бурения, гидравлические забойные двигатели, электробуры.
Для эффективного разрушения на шарошечное долото необходимо подать определенную мощность. Чем она больше, тем выше эффективность разрушения. Мощность представляет собой выражение: М=Мд-п, (1)
где N — мощность, реализуемая шарошечным долотом, квт (л.с.);
Мд — момент, реализуемый долотом, кНм; п — частота вращения долота, с-1. Момент, реализуемый шарошечным долотом, может иметь выражение:
2йш (2) где йд — диаметр долота, м; йш — диаметр шарошки, м; Оц — осевая нагрузка на долото, кН; t — шаг зубьев внутреннего периферийного венца второй шарошки, м.
Для данного долота единственным параметром, позволяющим изменять момент, реализуемый долотом, является осевая нагрузка на долото. Момент, реализуемый долотом, прямо пропорционален осевой нагрузке. Чем выше осевая нагрузка, тем больше момент.
Для повышения эффективности разрушения необходимо обеспечить вращение шарошек по забою при вращении долота.
При бурении шарошечными долотами вращение шарошек достигается, когда момент сил трения превышает момент, реализуемый долотом, т. е.:
МтОМд, (3)
где Мтр — момент сил трения шарошек, Н.м;
МтР=Од-/-Гс, (4)
где /— коэффициент трения скольжения шарошек по забою;
гс — расстояние от центра тяжести шарошки до забоя, м. Согласно [1] коэффициент трения скольжения зависит от удельной мощности, определяемой осевой нагрузкой. Расчеты показывают, что при осевой нагрузке 21000 кгс коэффициент трения скольжения уменьшается почти в два раза и возможен срыв шарошек на скольжение по забою без вращения или со случайным проворотом.
Таким образом, момент, реализуемый долотом, оказывается ограниченным коэффициентом трения скольжения шарошек по забою.
Следующим параметром, определяющим мощность, реализуемую шарошечным долотом, является частота вращения.
Исследования показали [1], что при энергии, подведенной к ударнику, определяемой скоростью приложения нагрузки, деформация и эффективность разрушения горной породы выше, а темп нарастания и абсолютная величина усилий в ударной штанге ниже, чем при энергии, определяемой массой ударника.
Опыт бурения ротором показал, что механическая скорость бурения глубоких скважин составляет примерно 1,5—0,5 м/ч при стойкости современных шарошечных долот свыше 200 ч, при этом частота вращения бурильной колонны не превышает 100—130 об/мин. При бурении глубоких скважин она ограничивается для предупреждения аварийных ситуаций. При бурении в течение 200 часов все буровое оборудование находится в работе. За это время максимальная проходка (углубление скважины) составит ~ 300 м.
Опыт бурения высокооборотным турбинным способом (частота вращения вала ~ 600 об/мин) свидетельствует, что механическая скорость бурения глубоких скважин может составлять 8—10 м/ч. Следовательно, на бурение тех же 300 м можно затратить ~ 40 часов, т. е. затраты времени в пять раз меньше при бурении интервала одинаковой длины. Однако стойкость долот при высокооборотном турбинном бурении значительно ниже, чем при роторном. Современные высокопрочные долота рассчитаны на частоту вращения 300—350 об/мин (см. табл.).
Для повышения эффективности работы шарошечных долот, чтобы предотвратить вторичное разрушение, забой скважины необходимо очищать от шлама сразу после его появления. Согласно [2] удельная подача буровых насосов, достаточная для очистки забоя, должна быть в пределах
M
наука — производству
Табл. Предельные скорости вращения высокоскоростных серий шарошечных долот (с герметизированной опорой) компаний HUGHES CHRISTENSEN, SMITH, KINGDREAM, ВОЛГАБУРМАШ
HUGHES CHRISTENSEN
Серия X, дюйм, (мм) максимальная частота вращения, об/мин
UltraMAX 8 1/2, (219,9) 350
10 5/8, (269,9) 300
1 1 5/8, (295,3) 220
XLX 81/2, (215,9) 200
10 5/8, (269,9)
1 1 5/8, (295,3)
HydraBoss 81/2, (219,9) 220
10 5/8, (269,9)
1 1 5/8, (295,3)
SMITH
Серия x, дюйм, (мм) максимальная частота вращения, об/мин
Gemini 8 1/2(219,9) 300
10 5/8, (269,9)
11 5/8, (295,3)
Magnum 81/2, (215,9) 250
10 5/8, (269,9) 250
11 5/8, (295,3)
Trucut 8 1/2, (219,9) 250
10 5/8, (269,9) 270
11 5/8, (295,3)
KINGDREAM
Серия x, дюйм, (мм) максимальная частота вращения, об/мин
HJ 8 1/2, (219,9) 280
10 5/8, (269,9)
1 1 5/8, (295,3)
HF 81/2, (215,9) 250
10 5/8, (269,9)
1 1 5/8, (295,3)
FA 8 1/2, (219,9) 250
10 5/8, (269,9)
1 1 5/8, (295,3)
ВОЛГАБУРМАШ
Серия x, дюйм, (мм) максимальная частота вращения, об/мин
АУ 8 1/2(219,9) до 150
10 5/8, (269,9)
11 5/8, (295,3)
НУ 8 1/2, (215,9) до 300
10 5/8, (269,9)
11 5/8, (295,3)
HUGHES CHRISTENSEN—данные каталога 2001 г.; SMITH — данные каталога 2000 г.; KINGDREAM — данные каталога 2000 г.; ВОЛГАБУРМАШ — данные 1996 г. (при максимальной частоте не гарантируют устойчивую работу уплотнения).
0,056—0,065 л/с/см2. Дальнейшее увеличение удельной подачи не ведет к улучшению очистки забоя и увеличению интенсивности разрушения горных пород при бурении шарошечными долотами. При бурении долотами диаметром 393,7 мм подача буровых насосов по В. С. Федорову должна находиться в пределах 68—79 л/с, и дальнейшее увеличение подачи буровых насосов не ведет к улучшению очистки забоя и увеличению интенсивности разрушения горных пород.
При бурении долотами 215,9 мм подача буровых насосов должна находиться в пределах 20,5—24 л/с.
Из изложенного следует, что при бурении долотами большого диаметра 295,3 мм и выше необходимо решать задачу подвода жидкости к забою с минимальными гидравлическими потерями. При бурении долотами 215,9 мм и менее необходим отвод жидкости от забоя вместе со шламом, т. к. зазоры небольшие.
При бурении ротором и электробуром обеспечение подачи 80—24 л/с не вызывает осложнений, при бурении ГЗД задача несколько осложняется. Отечественная промышленность выпускает ГЗД максимальным диаметром 240 мм, рассчитанные на подачу буровых насосов 55 л/с. Таким образом, при бурении долотами 295,3 мм и более максимальная подача может составлять 55 л/с. При бурении долотами 215,9 мм все двигатели рассчитаны на подачу 32 л/с при необходимой — 20,5—24 л/с.
Таким образом, при бурении ГЗД 240 мм долотами 295,3 мм и более подача буровых насосов ограничивается техническими возможностями ГЗД. При бурении долотами 215,9 мм и менее подача буровых насосов, определяемая техническими характеристиками ГЗД, превышает максимально необходимую для этих размеров долот. Это вызывает непроизводительные затраты мощности буровых установок в процессе бурения (для долота 215,9 мм на 78% выше необходимого).
Следовательно, для повышения эффективности разрушения горных пород, повышения коммерческих скоростей бурения и сокращения сроков строительства скважин необходимо согласовать потенциальные возможности шарошечных долот с параметрами режима бурения (осевой нагрузкой, частотой вращения, подачей буровых насосов, компоновкой низа бурильной колонны) с учетом особенностей геологического разреза скважины.
Роторный способ бурения в принципе не может рассматриваться из-за больших затрат мощности на вращение бурильной колонны. Только забойные двигатели позволяют подвести к долоту необходимую мощность на разрушение горной породы.
Наиболее полное согласование потенциальных возможностей шарошечных долот с параметрами режима бурения можно обеспечить использованием редукторных забойных двигателей (гидравлических или электрических). Применение редукторных турбобуров или электробуров обеспечивает согласование по всем параметрам режима бурения для любого типа шарошечных долот и горно-геологических условий, максимально возможные технические показатели (механическую скорость, проходку на долото и время бурения), а также позволяет сократить время и средства на строительство глубоких скважин.
Литература
1. Спивак А. И., Попов А. Н. Разрушение горных пород при бурении скважин. — М.: Недра, 1994. — 261 с.
2. Федоров В. С. Проектирование режимов бурения. — М.: Гостоптехиздат, 1958. — 215 с.
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.