книги / Оптимизация режимов бурения гидромониторными шарошечными долотами

i . ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ

_________________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ_________________

в нем азоту воздуха. Известно, что кавитация на границе струи начинается при числе кавитации Qt < 0,35... 1,0. Число кавитации определяется по формуле [17]:

0,5 p v 1 где р с - давление среды;

р и - давление парообразования жидкости; v - средняя скорость струи.

поворот долота, об

Рис. 3.3.5. Влияние радиуса вращения струи вокруг оси скважины на ско­ рость фильтрации жидкости через поверхность забоя.

Из формулы следует, что с увеличением глубины Qk увеличивается, и при превышении указанных выше значений кавитация прекращается. Для того, чтобы поддерживать условия для кавитационного течения струи, не­ обходимо увеличить р„ или v. Возможности для увеличения скорости все­ гда ограничены, поэтому речь может идти только о рн.

1 0 1

I ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ с т р у й НА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОГОДУ

__________________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ

Эту задачу можно решить, если специально, в ограниченных количест­ вах, не более 10...20 % по объему в нормальных условиях вводить в буро­ вой раствор через манифольд сжатый воздух. Вследствие ограниченной растворимости азота практически на любых глубинах удастся поддержи­ вать систему “жидкость-воздух” в постоянной готовности выделить из смеси растворенный газ. В результате удастся искусственно увеличить р„ до величин, когда число кавитации окажется меньше критического значе­ ния. Ввиду малых концентраций воздуха в растворе заметного снижения давления столба раствора на стенки скважины не будет.

Влияние расстояния оси струи от оси скважины (радиуса вращения струи).

Современные конструкции трехшарошечных долот не позволяют раз­ мещать струи вдоль радиуса скважины. В результате центральная часть за­ боя, разрушаемая средними и вершинными венцами шарошек, не испыты­ вает непосредственного воздействия со стороны гидромониторных струй. В этой связи представляет интерес оценить влияние радиуса вращения струи на фильтрацию жидкости.

Па рис. 3.3.5 приведены результаты численного эксперимента для че­ тырех вариантов размещения струи по отношению к центру скважины: 95,5; 75; 50 мм (в этих вариантах применялась “базовая” технология про­ мывки в отношении диаметра насадки, расстояния ее до забоя и т. д) и 30 мм (в этом варианте, учитывая близость насадки к центру, диаметр насад­ ки был уменьшен до 7 мм и расстояние до забоя - до 80 мм). Из рис. 3.3.5 следует, что приближение насадок к центру скважины явным образом спо­ собствует усилению 2-го эффекта, а если его сочетать с приближением на­ садок, то резко возрастает и 1-й, несмотря на уменьшение диаметра насад­ ки. Из изложенного следует, что распределение струй вдоль радиуса сква­ жины может обеспечить резкое увеличение эффективности применения гидромониторной промывки.

3.4.Критерии оценки интенсивности промывки забоя скважины

Поиск оптимального варианта промывки скважины при бурении гид­ ромониторными долотами до недавнего времени осуществлялось только по максимумам гидравлической мощности струй N K,e или силы их удара IV,,,,', . Эти критерии не предъявляют никаких требований к размещению промывочных устройств в долоте, к расстоянию от насадок до забоя и к варианту сочетания числа насадок и диаметров их выходных сечений (лишь бы при этом суммарная площадь сечений отверстий была близка к расчетной). Единственное “преимущество” их перед другими, например, критерием “осевое давление струи” р„с , заключается в возможности нахо­ дить решение по косвенным признакам; максимуму N,„r, или IV,,,,7 соот­

102

J. ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НЛ РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ

_________________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ_________________

ветствуют заранее известные соотношения между перепадом давления на долоте и давлением на насосах. Однако неопределенность в выборе кон­ кретного варианта реализации решения сделала указанные критерии мало­ привлекательными. В отечественной практике они практически не исполь­ зуются.

Физически более обоснованным является предложенный П.Ф. Осипо­ вым и Ю.Л. Логачевым [125] критерий p.j, , названный ими “эффективным давлением струи”. Величина р к/) вычисляется по формуле:

Впервые был предложен критерий промывки, в определении которого участвует параметр (пластовое давление), описывающий геологические условия бурения.

Критерий ртф является сложной функцией расхода Q и имеет макси­ мум, поиск которого выполняется следующим образом. Вначале выбира­ ется вариант схемы промывки, например, промывка через три насадки равного диаметра d „. Изменяя ступенчато Q от Qwn до Qmlt% и определяя для каждого расхода (с учетом гидравлических характеристик циркуляци­ онной системы, насосов и величины общего ограничения рабочего давле­

где р„01 - суммарные потери давления в циркуляционной системе, а затем вычисляют d „ и рос по формулам:

103

3.ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ

ИОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ_________________

где Q - расход бурового раствора, м3/ с;

р- плотность бурового раствора, кг/м3;

рА - перепад давления на долоте, Па;

d я - диаметр подводящего канала долота ( равный, как правило, входному диаметру насадок), м;

!с - расстояние от насадки до забоя (длина струи), м; z - количество реально используемых в долоте насадок.

Расчетный цикл завершается определением р*р по формуле (3.4.1). Каждому значению Q , соответствует свое значение р*р . Вариант, при

котором величина р*р максимальна, выбирается в качестве оптимального, в частности, для случая бурения с использованием трех насадок (z = 3), одинаковых по диаметру отверстия.

Критерий р,ф выгодно отличается от NMg и fVM6 тем, что напрямую зависит от конструктивных особенностей промывочного узла долот, от ко­ личества насадок и диаметра последних, от расстояния от насадки до за­ боя, от дифференциального давления в момент промывки и от компонен­ тов давления, от которых зависит последнее. Такой критерий более “тех­ нологичен” и потому дает больше шансов на получение положительного результата от применения гидромониторной промывки. Критерий р^р может принимать как положительное, так и отрицательное значение, что очень важно при оценке общего уровня интенсивности промывки скважи­ ны.

Основным достоинством критерия р ^ является то, что он позволил су­ щественно продвинуться в направлении прогнозирования количественного влияния интенсивности промывки на показатели работы гидромониторных долот. Дело в том, что с его помощью удалось связать количественно (в первом приближении) величину гидравлического критерия промывки с интенсивностью фильтрационных процессов, возникающих на забое под влиянием подвижных, вращающихся вместе с долотом, гидромониторных струй.

Возникновение обратной фильтрации, ее интенсивность и продолжи­ тельность зависят прежде всего от интенсивности промывки забоя скважи­ ны, мерой которой может быть, в частности, величина критерия “эффек­ тивное давление струи” р ^ .

Несмотря на явные преимущества критерия р*р перед другими, он не лишен недостатков. Во-первых, он является размерной величиной, а вовторых, - не имеет характерного предельного значения, ориентируясь на которое можно судить об уровне интенсивности и качества промывки за­ боя.

П.Ф. Осипов [133, 134]для оценки интенсивности промывки забоя

104

3. ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ (ЮРОДУ

_________________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ_________________

характерное предельное значение, стремление к достижению которого вполне можно увязывать с повышением эффективности гидромониторных долот. В принципе У может быть и больше 1, но только при бурении в ус­ ловиях, когда пластовое давление больше давления в скважине, например, при бурении с промывкой водой, когда коэффициент аномальности в пла­ сте больше 1. Критерий У может быть равен 0, когда рАиф= рж(второе ха­ рактерное значение), и быть меньше нуля, если рл„ф > рт (третья область характерных значений). Он, как и р ^ , является функцией Q , имеющей максимум (экстремум), соответствующий оптимальному режиму промыв­ ки по данному критерию.

Методика определения критерия У аналогична описанному для р.ф Для оценки технологических возможностей критерия промывки У и на­

личия количественной связи между ним и интенсивностью фильтрацион­ ных процессов на забое скважины проведем численный эксперимент, на первом этапе которого выполним комплекс гидравлических расчетов для некоторой типовой скважины, а на втором - проведем сравнительные рас­ четы скоростей фильтрации жидкости для оптимального (по критерию У) и неоптимального вариантов промывки.

В качестве примера выбрем скважину глубиной 4000 м, обсаженную кондуктором диаметром 245 мм до глубины 500 м. Коэффициенты ано­ мальности пластового давления примем следующими:

Такие условия весьма типичны для многих площадей Урало-Поволжья и Республики Коми. В соответствии с приведенными коэффициентами аномальности выбраны поинтервальные плотности бурового раствора от 1120 (вначале) до 1180 кг/м3 (в конце интервала бурения). Диаметр ос­ новного ствола - 215,9 мм. Принята “стандартная” (базовая) технология, составленная из следующих элементов:

-промывка скважины вязкопластичной жидкостью с динамическим

напряжением сдвига 5 Па, структурной вязкостью 0,02 Па. с;

-буровая колонна, составленная из УБТС-178 и бурильных труб ТБПК-127;

-давление на насосах на всех глубинах равно 15 МПа;

105

3. ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДГОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ ИЛ РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ

_________________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ_________________

- долота оснащены насадками, диаметр отверстия которых равен не ближайшему стандартному, а строго расчетному, найденному из условия

полного использования резерва давления.

Первая расчетная глубина равна 500 м, остальные располагаются через каждые 500 м. Для каждой глубины выполнялись гидравлические расчеты промывки скважины. Расход жидкости менялся ступенчато через 2 дм3/с от заданного минимума до максимально возможного для данного варианта исходных данных. Из набранного массива результатов гидромониторной промывки выделялись оптимальные, соответствующие максимуму того

или иного критерия, в том числе критерия J .

Отобранные по величинам критерия J сравнительные варианты про­ мывки затем использовались в качестве исходной информации при расчете скоростей фильтрации жидкости.

На рис. 3.4.1 показаны зависимости критериев рас, р ^ , J от расхода жидкости при глубине скважины 1000 м. Оптимальные расходы Qom, явно не совпадают, в том числе по двум последним критериям. Видно, что кри­

терий J имеет в этом отношении преимущество перед другими.

Результаты аналогичного расчета для глубины 3000 м показаны на рис.

3.4.2. В отличие от рис. 3.4.1 здесь появляются области отрицательных значений как для р^ф, так и J . Более того, при использовании трех равно­

размерных насадок на этой глубине указанные критерии остаются отрица­ тельными величинами при любом расходе, но при использовании двух равноразмерных насадок ситуация меняется: в области 17< Q < 35 дм3/с они имеют положительное значение. Размерный критерий р^ф достигает значения 1 МПа при Qa„„, = 26 дм3/с, а безразмерный критерий J (при том же Qomn), хотя и имеет положительное значение, но остается существенно меньшим “идеального” значения 1. И только критерий N всегда положите­

ствует об уменьшении эффективности применения гидромониторной про­

шением числа насадок.

1 0 6

3.ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ

ИОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ

расход жидкости, дм3/с

Рис. 3.4.1. Зависимости критериев гидромониторной промывки от расхода бурового раствора при промывке через три равноразмерные на­ садки и при глубине скважины 1000 м:

1 - осевое давление струи; 2 - эффективное давление струи; 3 - критерий ./(безразм.);

Из анализа данных на рис. 3.4.1 и 3.4.2 можно сделать вывод: крите­ рий J имеет несомненные преимущества перед всеми известными, обеспе­ чивая более технологичные решения для любых глубин бурения и возмож­ ность объективной оценки уровня интенсивности очистки забоя при буре­ нии гидромониторными долотами. По этой причине в дальнейших иссле­ дованиях будет использоваться только критерий J .

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. 3.4.3...3.4.7 показаны резуль­ таты численного эксперимента по влиянию различных факторов на J. Все кривые на указанных рисунках построены по величинам J, соответствую­ щим оптимальному варианту промывки на данной расчетной глубине (300, 1000 м и др.). Иначе говоря, каждая из них - это зависимость макси­ мальных (экстремальных) значений J от глубины бурения.

107

расхода бурового раствора при глубине скважины 3000 м:

(р.,ф-2 нас.) - эффективное давление струи при двух насадках (МПа); (р,ф-3 нас.) - то же при трех насадках; (J-2 нас) - критерий

двух альтернативных вариантов бурильных колонн в сравнении с базовым

вариантом. Как и следовало ожидать, хуже других выглядит вариант буре­

ния с применением труб ТБВК-139,7. Если (в значительной степени пока

условно) принять, что положительный результат от гидромониторных до­

лот возможен только при положительном значении J , то предельная глу­

бина эффективного применения последних (с тремя равновеликими насад­

ками) будет равна 2300 м, что на 350...400 м меньше, чем при других бу­

рильных трубах. Базовый вариант бурильных труб имеет устойчивое пре­

имущество, но и он, вопреки ожиданиям, уступает до глубины 2700...2800

м варианту с трубами ТБПВ-114.

1 0 8

3. ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ

_________________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ_________________

глубина скважины, м

Рис. 3.4.3. Изменение критерия J с глубиной скважины при использовании трёх равноразмерных насадок

Величина J в соответствии с формулой (9) зависит от дифференциального давления непосредственно. Дифференциальное давление более, чем от по­ терь давления в заколонном пространстве, зависит от плотности бурового раствора. В реальной практике бурения из-за неоптимального состава бу­ рового раствора, неудовлетворительной работы системы его очистки плот­ ность часто существенно превышает требуемые по условиям бурения. По­ этому представляет интерес посмотреть, как плотность бурового раствора влияет на изменение J с глубиной скважины. На рис. 3.4.4 приведены расчетным путем полученные зависимости J(LcKe) при трех различных уровнях плотности раствора. Отрицательное влияние ра„фна J очевидно, и оно неоспоримо доказывает справедливость того, что применению гидро­ мониторных долот должна предшествовать работа по минимизации плот­ ности и реологических параметров бурового раствора. Данные на рис. 3.4.5 подтверждают, что уменьшение реологических параметров или примене­ ние растворов, подчиняющихся степенной реологической модели (напри­ мер, полимерных малоглинистых буровых растворов) являются весьма эффективными технологическими мерами увеличения показателей работы и глубины результативного применения гидромониторных долот.

109

i воздкйгтвие гидромониторных струй на разрушаемую долотом породу

___________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ ____

Рис. 3.4.4. Изменение критерия J с глубиной скважины при про­ мывке буровыми растворами различной плотности.

Геологические или иные причины иногда вынуждают осуществлять бурение с использованием несколько завышенных по плотности или рео­ логическим параметрам буровых растворов. В этом случае необходимо ис­ пользование технических решений, обеспечивающих “восстановление” по­ терянного уровня интенсивности промывки забоя, мерой которого являет­ ся критерий J . Одним из таких решений может быть приближение насадок к забою.

На рис. 3.4.6 демонстрируется влияние приближения трех равнораз­ мерных насадок к забою (с 120 до 80 мм) на критерий J при использова­ нии базовой технологии бурения. На рис. 3.4.7 показано изменение J с

глубиной в случае, когда плотность раствора завышена по сравнению с ба­ зовым раствором всего на 100 кг/м3 на глубинах до 3000 м и на 130 кг/м3 - после указанной глубины. Само по себе приближение насадок к забою благотворно сказывается на величине J (рис. 3.4.6), но оно просто необ­ ходимо, если имеет место вынужденное увеличение дифференциального давления на забой (рис. 3.4.7). При нормальной плотности приближение насадок на 40 мм расширило область эффективного применения гидромо­ ниторной промывки до 4000 м и более. При плотности раствора по всему стволу 1250 кг/м3 она (предельная глубина применения) стала равной 3500 м.

ПО