Методы оптимизации времени работы долота на забое

Введение

Взаимодействие долота с забоем проявляется в виде колебаний бурильной колонны и промывочной жидкости в диапазонах частот, которые связаны с вращением корпуса долота, вращением шарошек и ударами зубцов о породу. Диапазоны эти коррелированы друг с другом в различной степени, и отличаются для различных типов долот, компоновок, условий бурения.
Взаимодействие долота с забоем скважины приводит к образованию колебаний с определенной частотой и амплитудой, которые воспринимаются валом турбобура. С другой стороны, промывочная жидкость, проходя через каналы турбинных секций, тоже вызывает колебания на очень низких частотах. Поток промывочной жидкости поддерживает эти низкочастотные колебания, с их регистрацией на устье скважины. Одной из причин изменения спектральных характеристик сигналов регистрируемых на устье, в диапазоне инфранизких частот, является нарушение оптимального режима работы турбин и турбобура при прохождении жидкости через ее ступени, на что может повлиять износ элементов секции, увеличение плотности жидкости и ряд других причин.
На взаимодействие долота с горными породами оказывают существенное влияние состав и параметры буровых растворов, которые проектируются, главным образом, в соответствии с геологическими условиями проводки скважин, а поэтому будут рассмотрены при проектировании их промывки. При нагружении долота осевой нагрузкой С создается необходимое для разрушения горной породы напряженное состояние и осуществляется отбор энергии от вращающегося инструмента для обеспечения последовательного разрушения породы по всему забою.
Раздельное исследование взаимодействия долота с анизотропной горной породой и напряженного состояния оурильной колонны позволяет с большей точностью.
Бурильная колонна оказывает большое влияние на характер взаимодействия долота с забоем скважины и тем самым на механику разрушения пород. Осложнение условий бурения, связанное с горно-геологическими особенностями месторождений, увеличением глубин скважин, а также значительный объем проходки в условиях моря при различных глубинах акватории обусловливают ряд требований к бурильной колонне, обеспечение которых связано с физико-механическими свойствами материала труб, конструкцией их соединений и технологией изготовления труб.
Это вполне закономерно и объясняется сложностью процесса взаимодействия долота с забоем скважины, выявлением новых положений, характеризующих закономерности процесса разрушения пород и износа рабочих-элементов долота.
Строительство нефтяных и газовых скважин связано с осуществлением процесса взаимодействия долота с породой. В процессе взаимодействия долота с породой разрушается как порода, так и долото. Поэтому при решении вопросов эксплуатации долота в одинаковой мере и в неразрывной связи следует учитывать как разрушение породы, так и интенсивность разрушения рабочих элементов долота.
Кроме продольных колебаний наиболее существенным образом, определяющих эффект взаимодействия долота с породой, в колонне могут возбуждаться и другие виды колебаний, па-пример крутильные и поперечные. Заметим, что разные виды колебаний могут оказывать друг на друга взаимное влияние. Ограничимся здесь кратким рассмотрением процесса крутильных колебаний, возникновение которых связано с самим процессом разрушения горных пород долотом в забое.
Теоретические исследования обычно проводились для двух основных расчетных схем взаимодействия долота с забоем: при работе на абсолютно твердом ( недеформируемом) забое; при работе на деформируемом забое.
1.Возмущающие факторы, действующие на взаимодействие долота с горной породой
Поэтому с целью упрощения задачи рассмотрим случай, когда в результате взаимодействия долота с горной породой на бурильную колонну действуют возмущающие факторы чисто гармонического характера.
Очень важным для эффективности эксплуатации долот является определение и поддержание оптимальных условий взаимодействия долота с породой при проводке скважин, определение и поддержание условий, обеспечивающих наиболее высокие технико-экономические показатели бурения.
При этом определяющим фактором является механическая скорость разбуривания породы, т.е. эффективность взаимодействия долота с породой. Время спускоподъемных операций мало, и его влияние на общий темп строительства скважины пока невелико.
В целом расчеты и экономический эффект убеждают в работоспособности сконструированной математической модели взаимодействия долота с породой забоя.
Наиболее перспективно использование гидравлических сигналов, возникавших при турбинной бурении в процессе взаимодействия долота о горной породой.
Наиболее перспективно использование гидравлических сигналов, возникавших при турбинной бурении в процессе взаимодействия долота с горной породой.
Зависимость динамической нагрузки на долото от частоты вращения. Аналитическое исследование динамики бурильной колонны достаточно просто провести, как это показано выше, лишь для некоторых упрощенных схем взаимодействия долота с забоем и при предположении, что зависимость нагрузка-деформация в контакте долото-горная порода подчиняется закону Гука и е происходит скачкообразного разрушения породы под зубьями долота. Но в условиях скважины большинство горных пород в той или иной мере подвержено пластическим деформациям, и процесс деформирования упруго-пластичных пород, как правило, заканчивается хрупким выколом, при котором происходит мгновенная разгрузка породоразрушающего инструмента. Все это сильно усложняет характер движения нижнего конца бурильной колонны.
Однако такое явление наблюдается в частном случае при весьма ограниченном диапазоне осевых нагрузок и совершенно не характеризует сложный процесс взаимодействия долота с породой при ее разрушении. Кроме того, независимость удельного момента от диаметра трехшарошечного долота значительно затрудняла бы проектирование и создание забойных двигателей меньших диаметров для бурения глубоких интервалов скважин долотами уменьшенных и малых диаметров по сравнению с проектированием двигателей для бурения верхних интервалов скважин долотами большого диаметра.
Для решения задач второго уровня, т.е. оперативной оптимизации самого процесса бурения, необходимо корректировать парамэтры алгоритма поиска с учетом изменения взаимодействия долота с породой с целью установления режима бурения в соответствии с изменяющейся обстановкой на забое в процессе рейса.
В последнее время предпринимаются усиленные попытки изучения колебательных процесов на забое для определения условий работы долота, бурильной колонны и влияния этих процессов на характер взаимодействия долота с разрушаемой породой. Тем не менее, сегодня отсутствуют достаточно обоснованные методики расчета динамической прочности элементов низа бурильного инструмента в первую очередь из-за отсутствия достоверных экспериментальных данных об амплитудно-частотных характеристиках фактических продольных, поперечных и крутильных перемещений низа бурильной колонны в реальных условиях. Ряд промысловых экспериментальных данных частного харак тера [125] с некоторыми допущениями подтверждает результаты теоретических и стендовых исследований динамики бурильной колонны и долота. Экспериментальные исследования динамических процессов на забое ведутся во ВНИИБТ, МИНХ и ГП, Тюменском политехническом институте и ряде других организаций.
Тип долота и момент его подъема определяются один раз за рейс долота, а режим бурения в связи с износом рабочих элементов долота, изменением свойств проходимых пород должен изменяться непрерывно в ходе процесса взаимодействия долота с породой.
При заданном режиме бурения прочностные свойства горных пород ( предел текучести, сопротивление при первом скачке разрушения, твердость по штампу, сопротивление сдвигу и растяжению) определяют в основном объем разрушенной породы за цикл взаимодействия долота с породой ( за один удар зуба, за один оборот), а абразивные свойства - число возможных циклов взаимодействия до полного износа долота, темп и характер изнашивания долота, темп снижения скорости проходки ввиду увеличения площадки контакта зубьев, изменения динамики работы долот, изнашивания опор и перераспределения подведенной на забой энергии.
Все выше перечисленные мероприятия лишний раз подтверждают тот факт, что проблема управления динамикой взаимодействия долота с забоем остается неизменно актуальной

. Однако эффективность данного управления может быть в полной мере реализована лишь при наличии достоверной информации обратной связи с забоя обо всех особенностях данного процесса. Использование любого из рассмотренных средств регулирования входным импедансом долота предполагает поддержание требуемого режима бурения и прежде всего частоты вращения долота.
Внезапное появление твердого ( мягкого) пропластка нашло свое отражение в резком изменении динамики взаимодействия долота с забоем, что и было зарегистрировано на устье в ходе проводимого эксперимента.
Как уже отмечалось, существуют два источника образования этой доли шлама - непосредственно при взаимодействии долота с еще не разбуренной породой и при дополнительном измельчении уже имеющихся на забое более крупных частиц.
Для решения задач первого уровня оптимизации в первую очередь необходимо идентифицировать разбуриваемую породу по определенным характеристикам взаимодействия долота с породой.
Бурильная колонна частично разгружена на забой, где на него действует также крутящий момент, обусловленный взаимодействием долота с породой.
Из учебников по бурению известно, что параметрами режима бурения являются Рд, N и т. е. осевое давление на долото, частота его вращения, количество и качество промывочной жидкости. Эти параметры хорошо просчитываются на компьютере при составлении проекта на бурение. Полученные данные передаются на буровую в виде режимно-технологической карты РТК.
Но при этом от научного контроля ускользает один важный для бурения параметр Т6 — время работы долота на забое. А от него зависит очень многое.
Всегда этот параметр определялся бурильщиком интуитивно с таким расчетом, чтобы не упустить начало критического износа зубьев или опоры долота до величины, грозящей аварией.
При этом у буровика есть единственный способ следить за развитием процессов — по скорости углубления рабочей трубы, т. е. за изменением механической скорости проходки Ум. Из учебников по бурению известно также, что критерием оптимизации режима бурения является рейсовая скорость, точнее момент выхода ее на максимум. Ученые всегда могут определить рациональное время Т6, подсчитанное компьютером. Однако, широкое распространение таких расчетов сдерживалось отсутствием надлежащей модели. Но в последнее время во ВНИИБТ вышли на полное компьютерное моделирование процесса бурения [1].
Ведь бурильщик не контролирует величину изменения рейсовой скорости (Ур).
Он бурит скважину в режиме максимума механической скорости (Умех), что ведет к недоиспользованию существующих резервов. Дело в том, что максимум Ур может совпадать с максимумом Умех только при бурении на малых глубинах, например, на глубине спуска кондуктора в Западной Сибири.
Дальше такое бурение становится не рациональным из-за увеличения потерь времени на спуско-подъем, глубины скважины и износа долота, который выгодно придерживать на сколько возможно. Это легко делать при роторном бурении первых разведочных скважин, когда бурильщик не ограничен в выборе оборотов и нагрузок, т. к. разрез неизвестен.
При индустриальных методах строительства эксплуатационных скважин в РТК вводится очень малый диапазон допустимого изменения нагрузки на долото (порядка 10—20 кН) и имеется еще меньшая возможность менять обороты, которые зависят от утвержденной промывки и характеристики турбобура.
Действия бурильщика ограничены. В итоге за последнее время наметилась некоторая стагнация в вопросах новых предложений по повышению эффективности процесса бурения.
Стремясь найти недоиспользованные резервы режима бурения с тем, чтобы вывести его на мировой уровень, мы реанимировали когда-то известную [2] во всем мире методику, очень тщательно проработанную, но которая у нас не нашла применения из-за основного ее требования точно определять степень износа опоры и вооружения долота после каждого рейса. Это сделать сложно. В наших рекомендациях, возрождающих некоторые упомянутые зарубежные методы расчетов, определение степени износа зубьев и опоры долота также ставится во главу угла. Но при этом изменяется организация труда.
Для проведения этих рекомендаций в жизнь необходимо произвести следующие действия с целью выхода из застойного положения.
1. После первого же долбления под первую обсадную колонну из-под кондуктора, которое должен осуществлять опытный буровик, собирается комиссия в составе представителя Заказчика (супервайзера), Подрядчика (технолога) и бурового мастера.
2. Производится полноценный обмер хорошо отпаренного долота, которое первым бурило под обсадную колонну, с целью определения процента износа зуба (по наиболее изношенной шарошке) и опоры данного долота.
3. Затем копия этого акта (за тремя подписями) вместе с копией ГТН после телефонного разговора с автором отправляется ему по факсу во ВНИИБТ (959—6711).
4. Скважина между тем продолжает буриться.
5. Указанные сведения заносятся в компьютер института и оттуда оперативно передаются в диспетчерскую УБР (рис. 1) с указанием обязательного (и постоянного для всех последующих долблений под данную обсадную колонну) времени Т6 — работы долота на забое, рассчитанного уже с помощью компьютера.
Имеется в виду, что проходки при всех последующих долблениях под эту колонну будут примерно одинаковы.
Конечно, эти заявления не имели бы смысла, если бы мы не предсказывали необходимую для проверки величину этой проходки. Берем на себя смелость сказать, что при всех долблениях под колонну отклонение в точности в среднем не превысит плюс-минус 10—15%. Это считается высокой точностью прогнозирования при таком многофакторном расчете. Результат предсказуем, конечно если будут бурится сравнительно однотипные породы.
Здесь необходимо указать, что в число граничных условий этого приблизительного расчета входит утверждение, что гарантии по точности прогнозирования проходки остаются, если скважина бурится, например, по терригенным породам со степенью изменчивости, характерной для скважин Западной Сибири или, допустим, только карбонатным породам.
Известно, что буримость будет ухудшаться с глубиной, но это компенсируется естественной корректировкой геологических данных на крепость породы, т. к. каждая колонна бурится глубже, чем предыдущая.
Заметьте, если мы предсказываем проходку с достаточной точностью, это значит, что с достаточной точностью мы предсказываем и рейсовую скорость и время бурения, по истечении которого скважина выйдет на максимум рейсовой скорости. При этом гарантируется и то, что опора износится к концу рейса не более, чем на 80% по расчету и износ вооружения долота не приведет к недопустимому падению механической скорости к концу каждого рейса.
При использовании нашего метода ошибки, которые мы имеем, менее вредны, чем те, которые мы делаем, когда доверяем произвольно определять рациональное время выдерживания долота на забое бурильщику.
Задача определения обоснованного числа долот для одной скважины, бурящейся в регионе, может оказаться весьма актуальной для «Зарубежнефть» и других организаций, разрабатывающих проекты бурения в таких регионах, где еще не бурилось ни одной скважины или условия бурения недостаточно хорошо изучены или ясны приблизительно.
Указанная информация может оказаться очень полезной и для предприятий, монопольно выпускающих долота, таких как «Волгобурмаш», на которые поступает большое число заявок