Осипов П.Ф. Гидроаэромеханика бурения и крепления скважин

Подождите немного. Документ загружается.

Часть III. Раздел 18. Оптимизация режима промывки скважины

171

Из анализа данных на рис. 18.1 и 18.2 можно сделать вывод: критерий

имеет несомненные преимущества перед всеми известными, обеспечивая более

технологичные решения для любых глубин бурения и возможность объектив-

ной оценки уровня интенсивности очистки забоя при бурении гидромонитор-

ными долотами.

-2

-1,5

-1

-0,5

0,5

1,5

12 16 20 24 28 32 36

расход жидкости, дм

/с

величины критериев промывки

100

150

200

250

Pэф-2 нас.

Pэф-3 нас.

J-2 нас.

J-3 нас.

гидравлическая мощность струй

, кВт

Рис. 18.2. Зависимости критериев гидромониторной промывки от расхода

бурового раствора при глубине скважины 3000 м:

(

эф

-2 нас.) – эффективное давление струи при двух насадках (МПа);

(

эф

-3 нас.) – то же при трех насадках; (J-2 нас.) – критерий J (безразм.)

при двух насадках; (

J-3 нас.) – то же при трех насадках;

N – гидравлическая мощность струй

Если принять, что критерий

J является мерой интенсивности очистки забоя

скважины, то представляет практический (и методический) интерес посмотреть,

как изменяется величина его по мере углубления скважины при тех или иных

условиях бурения. На рис. 18.3...18.7 показаны результаты численного экспе-

римента по влиянию различных факторов на

J. Все кривые на указанных ри-

сунках построены по величинам

J, соответствующим оптимальному варианту

промывки на данной расчетной глубине (500, 1000 м и др.). Иначе говоря, каж-

дая из них – это зависимость максимальных (экстремальных) значений

J от

глубины бурения.

На рис. 18.3 показано изменение

J с глубиной при использовании двух аль-

тернативных вариантов бурильных колонн в сравнении с базовым вариантом.

Как и следовало ожидать, хуже других выглядит вариант бурения с применени-

Часть III. Раздел 18. Оптимизация режима промывки скважины

172

ем труб ТБВК-139,7. Если (в значительной степени пока условно) принять, что

положительный результат от гидромониторных долот возможен только при по-

ложительном значении

J, то предельная глубина эффективного применения по-

следних (с тремя равновеликими насадками) будет равна 2300 м, что на

350...400 м меньше, чем при других бурильных трубах. Базовый вариант бу-

рильных труб имеет устойчивое преимущество, но и он, вопреки ожиданиям,

уступает до глубины 2700...2800 м варианту с трубами ТБПВ-114.

-1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,2

0,4

0,6

0,8

500 1000150020002500300035004000

глубина скважины, м

критерий промывки забоя

ТБПК-127

ТБВК-140

ТБПВ-114

бурильные

трубы

Рис. 18.3. Изменение критерия J с глубиной скважины

при использовании трёх равноразмерных насадок

Величина

J в соответствии с формулой (18.20) зависит от дифференциаль-

ного давления непосредственно. Дифференциальное давление более чем от по-

терь давления в заколонном пространстве зависит от плотности бурового рас-

твора. В реальной практике бурения плотность бурового раствора часто суще-

ственно превышает требуемую по условиям бурения. Поэтому представляет

интерес посмотреть, как плотность бурового раствора влияет

на изменение J с

глубиной скважины.

На рис. 18.4 приведены расчетным путем полученные зависимости

J(L

скв

)

при трех различных уровнях плотности раствора. Отрицательное влияние

диф

на

J очевидно, и оно неоспоримо доказывает справедливость того, что приме-

нению гидромониторных долот должна предшествовать работа по минимиза-

ции плотности и реологических параметров бурового раствора. Данные на

рис. 18.5 подтверждают, что уменьшение реологических параметров или при-

Часть III. Раздел 18. Оптимизация режима промывки скважины

173

менение растворов, подчиняющихся степенной реологической модели (напри-

мер, полимерных малоглинистых буровых растворов) являются весьма эффек-

тивными технологическими мерами увеличения показателей работы и глубины

результативного применения гидромониторных долот.

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0,5

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

глубина скважины, м

критерий промывки забоя

норм

1250

1300

плотность

жидкости,

кг/м

Рис. 18.4. Изменение критерия J с глубиной скважины

при промывке буровыми растворами различной плотности

Геологические или иные причины иногда вынуждают осуществлять бурение

с использованием несколько завышенных по плотности или реологическим па-

раметрам буровых растворов. В этом случае необходимо использование техни-

ческих решений, обеспечивающих “восстановление” потерянного уровня ин-

тенсивности промывки забоя, мерой которого является критерий

J . Одним из

таких решений может быть приближение насадок к забою.

На рис. 18.6 демонстрируется влияние приближения трех равноразмерных

насадок к забою (с 120 до 80 мм) на критерий

J при использовании базовой

технологии бурения. На рис. 18.7 показано изменение J с глубиной в случае,

когда плотность раствора завышена по сравнению с базовым раствором всего

на 100 кг/м

на глубинах до 3000 м и на 130 кг/м

− после указанной глубины.

Само по себе приближение насадок к забою благотворно сказывается на вели-

чине

J (рис. 18.6), но оно просто необходимо, если имеет место вынужденное

увеличение дифференциального давления на забой (рис. 18.7). При нормальной

плотности приближение насадок на 40 мм расширило область эффективного

применения гидромониторной промывки до 4000 м и более. При плотности

раствора по всему стволу 1250 кг/м

она (предельная глубина применения) ста-

ла равной 3500 м.

Изложенные выше результаты численного анализа вполне согласуются с

передовым опытом исследования и применения гидромониторных долот, при-

Часть III. Раздел 18. Оптимизация режима промывки скважины

174

мером которых является опыт внедрения гидромониторной промывки в Тима-

но-Печорской нефтегазовой провинции и Самарской области [1].

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,2

0,4

0,6

0,8

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

глубина скважины, м

критерий промывки забоя

Рис. 18.5. Влияние реологических параметров бурового раствора на изменение

критерия

J с глубиной скважины:

1 – динамическое напряжение сдвига – 5 Па, структурная вязкость – 0,02 Па

("базовый" буровой раствор); 2 – реологические параметры раствора по сравнению

с "базовым" уменьшены в 2 раза; 3 – "степенная" (псевдопластичная) жидкость

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,2

0,4

0,6

0,8

2000 2500 3000 3500 4000

глубина скважины, м

критерий промывки забоя

длина струи, см

Рис. 18.6. Влияние приближения насадок к забою на изменение

величины критерия

J с глубиной при нормальной плотности

бурового раствора (базовая технология)

Часть III. Раздел 18. Оптимизация режима промывки скважины

175

-1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,2

0,4

0,6

2000 2500 3000 3500 4000

глубина скважины, м

критерий промывки забоя

длина струи, см

Рис. 18.7. Влияние приближения насадок к забою на изменение

критерия

J с глубиной скважины при увеличенной плотности

бурового раствора (1250 кг/м

– по всему стволу)

Доказательство преимуществ критерия

J будет завершено, если будет уста-

новлено, что оптимальные по данному критерию варианты гидравлических ре-

жимов промывки скважины отличаются от неоптимальных большей интенсив-

ностью фильтрационных процессов, непосредственно осуществляющих про-

цесс очистки забоя от выбуренной породы.

На рис. 18.8...18.11 приведены графики изменения скорости фильтрации че-

рез плоскость забоя

в зависимости от поворота долота (с заданной скоро-

стью) от некоторого начального момента наблюдения.

На рис. 18.8 сравниваются три варианта промывки скважины через три рав-

норазмерные насадки при бурении на глубине 1000 м (технология бурения – ба-

зовая), один из которых представляет собой оптимальный вариант, а другие –

неоптимальные по критерию

J , расположенные на графике J(Q) симметрично

относительно первого по величине

J .

Оптимальный вариант выглядит явно предпочтительнее других. При дос-

таточно высоком значении скорости фильтрации

он обеспечивает сохра-

нение депрессии до прихода шарошки. Вариант с

Q = 18 дм

/с имеет хоро-

шую продолжительность фильтрации, но уступает по максимуму

. Вариант

Q = 48 дм

/с имеет самую худшую характеристику по продолжительности

фильтрации, что объясняется влиянием повышенного (за счет потерь давле-

ния в заколонном пространстве) дифференциального давления.

Часть III. Раздел 18. Оптимизация режима промывки скважины

176

-0,4

-0,2

0,2

0,4

0,6

0,8

1,2

1,4

1,6

0,82 0,86 0,9 0,94 0,98 1,02

поворот долота, об

скорость фильтрации, мм/с

18 л/с; J=0,5

30 л/с; J=0,62

48 л/с; J=0,5

момент разрушения породы шарошкой

Рис. 18.8. Сравнение оптимального (30 дм

/с) варианта промывки

(по критерию

J) с неоптимальными при бурении на глубине 1000 м

(бурильные трубы ТБПК-127, диаметр скважины – 215,9 мм,

давление на насосах – 15 МПа)

На рис. 18.9 приведены результаты аналогичного анализа для глубины

2500 м. Преимущество оптимального варианта выражено в большей степени, а

из неоптимальных предпочтительнее выглядит вариант с меньшим расходом,

который имеет существенно большую продолжительность фильтрации.

Часть III. Раздел 18. Оптимизация режима промывки скважины

177

-0,2

-0,1

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0,82 0,86 0,9 0,94 0,98 1,02

поворот долота, об

скорость фильтрации, мм/с

18 л/с; J =-0,3

28 л/с; J =0,01

40 л/с; J =-0,3

момент разрушения породы шарошкой

Рис. 18.9. Сравнение оптимального (28 дм

/с) варианта промывки

(по критерию

J) с неоптимальными при бурении на глубине 2500 м

(бурильные трубы ТБПК-127, диаметр скважины 215,9 мм,

давление на насосах – 15 МПа)

При глубине бурения 4000 м (рис. 18.10) преимущество оптимального вари-

анта режима промывки выражено еще более определенно. Неоптимальный ва-

риант с меньшим

Q уступает по величине v

, а с большим Q – по

продолжительности фильтрации.

Таким образом, на всех глубинах бурения оптимальные по критерию

J ре-

жимы промывки скважины имеют явное преимущество перед другими по

фильтрационным показателям, что свидетельствует о физической обоснованно-

сти критерия

J. Последнее дает основание на использование его в качестве ар-

гумента в уравнениях, отражающих влияние промывки на процессы разруше-

ния породы, износ вооружения и опоры долота.

Часть III. Раздел 18. Оптимизация режима промывки скважины

178

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,82 0,86 0,9 0,94 0,98 1,02

поворот долота, об

скорость фильтрации, мм/с

18 л/с; J= -0,32

26 л/с; J= -0,17

34 л/с; J= -0,29

момент разрушения породы шарошкой

Рис. 18.10. Сравнение оптимального (26 дм

/с) варианта промывки

(по критерию

J) с неоптимальными при бурении на глубине 4000 м (бурильные

трубы ТБПК-127, диаметр скважины 215,9 мм, давление на насосах − 15 МПа)

18.4. Упрощенная (приближенная) методика расчета

оптимальных параметров режима промывки

В промысловых условиях далеко не всегда имеется возможность исполь-

зовать ЭВМ для выполнения гидравлических расчетов. Поэтому для ускоре-

ния расчетов есть смысл пожертвовать в допустимых пределах точностью и

воспользоваться не очень точными методиками, описанными в разделе 13

(часть II)

Часть III. Раздел 18. Оптимизация режима промывки скважины

179

Если выбрать расход

, близкий к искомому, и выполнить один раз "привя-

зочный" расчет потерь и перепадов давления, то вполне допустимо в окрестно-

стях этого расхода менять

Q, принимая, что в интервале от Q

−∆Q до Q

+∆Q

функции

, р

кп

, р

пот

описываются уравнением (в общем случае):

pp BQAQ

++ρ

(Подробнее о составлении уравнений см. разд. 13).

Методика расчета критерия промывки

J сведется в этом случае к сле-

дующему:

1. Для всех расчетных элементов (секций бурильной колонны и участков за-

колонного пространства) вычисляют

кр

2. Выбирают первый привязочный расход

и намечают нижнюю Q

min

, а

заодно и верхнюю

max

границы изменения Q в процессе поиска оптимального

решения.

3. Составляют возрастающий ряд значений

крi

, расположив последние ме-

жду

min

и Q

max

min,

kp1

, …, Q

kp(m-1)

, Q

kp(m)

… Q

max

4. Затем вычисляют р

кп

, р

пот

для Q

, сохранив все значения р

оi

и A

для

отдельных расчётных элементов. В результате получают уравнения типа (4.13)

для

кп

, , р

пот

, описывающих изменение этих величин от Q в интервалах:

min

… Q

kp1

; Q

kp1

… Q

kp2

; … ; Q

kp(m)

… Q

max

Таким образом, получают по два уравнения для каждого интервала измене-

ния

5. Поиск оптимального сочетания

Q, z, d

в дальнейшем осуществляют в

порядке, описанном в подразделе 18.2. Отличие в использовании приближенно-

го метода заключается только в том, что

, р

кп

и р

пот

определяются не по точ-

ным, а приближенным формулам.

Примечание.

В первый раз р

, В, А вычисляют по первому расходу Q. Далее

возможны три пути:

- поступить так, как рекомендуется в п.4, уточняя величины

, В, А для всех

отдельных интервалов изменения расхода

- сохранить уравнения

р=ƒ(Q), полученные при Q=Q

только для области

min

<Q<Q

, а затем уточнить их для области Q>Q

; дело в том, что по мере

увеличения все большее число участков будет вовлечено в турбулентный

режим и уравнения будут преобразовываться к виду

p=AρQ

, но этот вари-

ант характеризуется большей погрешностью в области

Q<Q

;

- сохранить уравнения, полученные при

Q=Q

для всего диапазона изменения

Q от Q

min

до Q

max

В последнем случае погрешность будет возрастать по мере увеличения аб-

солютного значения разности

−

Часть III. Раздел 18. Оптимизация режима промывки скважины

180

18.5. Оптимизация режима промывки скважины при бурении

забойными двигателями

В отличие от роторного бурения при турбинном все параметры режима бу-

рения и промывки взаимосвязаны. Возможности турбобура "принимать" на-

грузку зависит от расхода

Q. Следовательно, выбор Q зависит не столько от не-

обходимости обеспечить удовлетворительную очистку забоя и ствола скважи-

ны, сколько от необходимости "обеспечить" забойный двигатель достаточным

моментом

М и мощностью N на валу турбобура. Дело в том, что М возрастает

во второй степени от

Q , а мощность – в третьей. По этой причине при турбин-

ном бурении всегда присутствует естественное стремление промывать скважи-

ну при таких расходах, при которых рабочие давления на насосах близки к пре-

дельным (либо по втулкам, либо по прочности манифольда).

Раньше (см. раздел 18.2), исследуя вопрос рациональной передачи гид-

равлической мощности на забой

при роторном бурении, мы нашли, что на

забое мощность гидромониторных струй будет максимальной, если выпол-

нится условие:

= 2р

/3.

При турбинном бурении забойная гидравлическая мощность представлена

мощностью

N, передаваемой турбобуру. Следовательно, ничего не изменится в

решении, если под

понимать перепад давления на турбобуре. Следовательно,

турбобур разовьёт на забое максимально возможную мощность, если :

трб н

или, что то же самое,

пот н

рр=

Но тут же возникает вопрос: как этого добиться?

Во-первых

, необходимо стремиться к уменьшению потерь давления. Для

этого следует, прежде всего, использовать бурильные трубы оптимального

диаметра (см. подраздел 18,6):

бт

=(0.56…0.57)D

скв

Это решение обеспечит минимизацию абсолютного значения потерь

(при

Q=const). Это будет оптимальное решение в отношении бурильных труб.

Во-вторых

, нужно определиться с числом секций турбобура.

Необходимо взять такое число секций, при котором соотношение

трб

и p

(или, что то же самое, соотношение p

пот

и p

трб

, которое должно быть, как 1:2)

должно быть ближе к идеальному. Для этого достаточно выбрать произвольно

Q, рассчитать p

пот

, найти по справочной таблице p

трб

и поделить первое на вто-

рое. Эти действия являются реализацией желания оптимизировать выбор тур-

бобура для данных условий бурения.