книги / Нефтегазовое дело. Полный курс

безразмерный п ар ам етр силового воздействия определяется следую ­ щим образом:

Рис. 4,25, Графики зависимости силового воздействия Р радиального потока вязкопластичной жидкости на стенки трещины от глубины про­ никновения жидкости в трещину при постоянном давлении в на­ гнетательной скважине

На рис. 4.26 приводятся номограммы, позволяю щ ие определять си­ ловое воздействие потока на стенки трещ ины при постоянном зн аче­ нии закачиваемого в трещ ину расхода ВП Ж , где безразм ерны й п ара­ метр силового воздействия:

(4.70)

лН 'сг0

Р

Рис. 4,26. Графики зависимости силового воздействия Р радиального пото­ ка вязкопластичной жидкости на стенки трещины от глубины проникновения жидкости в трещину при постоянном значении на­ гнетаемого расхода

С иловое возд ей стви е нагнетаем ой в скваж и н у ж идкости можно п редставить как действие штампа» которы й вдавли вается в упругое тело. П ри этом стенки трещ ины деформирую тся» примерно повторяя кривую изм енения давления в потоке.

П ри обычном бурении р а зр у ш а е т с я вся м асса породы (бурение сплош ным забоем). При бурении с отбором внутреннего столбика поро­ ды -керна разруш ается только кольцевое пространство у стенок сква­ жины , а неразруш енны й керн извлекается для изучения свойств гор­ ной породы.

В законченном состоянии скваж ина представляет собой капиталь­ ное сооруж ение в земной коре (рис. 5.1, б). Стенки скваж ины крепятся концентрически располож енны ми обсадными трубам и 5, пространство м еж ду трубам и и стенкам и скваж ины заполн яется цементным раство­ ром 6. К аж дую последую щ ую колонну труб подвеш иваю т на предыду­ щ ей колонне. На ф ланце 4 последней эксплуатационной колонны под­ веш иваю т нефтепромы словое оборудование и монтирую т устьевое обо­ рудование. Д ля гидравлического сообщ ения продуктивного пласта со скваж иной в трубах и цементном камне вы полняю тся отверстия 7. Час­ то баш мак эксплуатационной колонны устанавливается ниж е подошвы продуктивного пласта с тем, чтобы осталось пространство для сбора песка и глинистых частиц, поступаю щ их из пласта вместе с нефтью.

П р о с т р ан с т в е н н о е положение буровой скваж ины в недрах опре­ д еляется координатам и устья, зенитны м углом (углом наклона оси к вертикали), азимутом и глубиной.

С проектировать к о н стр у к ц и ю скваж ины — это значит определить необходимое для условий данного м есторож дения число и размеры об­ садны х колонн, диам етры долот для бурения ствола под каж дую колон­ ну, полож ение границ цем ентирования и метод вхож дения в продук­ тивную зону.

Стенки скваж ины имеют винтообразный рисунок с выступами и впа­ динами, образую щ им ися при бурении ш арош ечны ми долотами. В твер­ дых породах возможно суж ение ствола вследствие бурения изношен­ ным долотом. Ось ствола всегда им еет пространственное искривление, однако, при малом отклонении от вертикали скваж ину называю т вер­ ти к ал ьн о й .

Специально искривленны е скваж ины назы ваю т наклонно направ­ ленными. П одавляю щ ее больш инство скваж ин на неф ть и газ являют­ ся наклонно направленными. П ри отклонении от вертикали на 90° сква­ ж ины назы ваю т го р и зо н тал ьн ы м и .

Целевое назначение скваж ин м ож ет бы ть различны м . Скважины, которы е бурятся в целях поиска и разработки месторож дений углево­ дородов подразделяю тся на следую щ ие категории.

О порные скваж ины — для изучения геологического строения и гид­ рогеологических условий регионов, определения общ их закономерное-

5.2. Классификация породоразруш ающих инструментов - > \ г 265

тей распределения осадочных комплексов с целью выбора направле­ ний геолого-разведочных работ. В этих скваж инах проводится сплош ­ ной отбор керна во всех интервалах, поскольку результаты изучения нового района представляю т интерес не только д л я неф тяников и газо ­ виков. но для других отраслей промыш ленности.

Параметрические скваж ины — д л я изучения глубинного строения и оценки перспектив неф тегазоносности региона, а так ж е для уточне­ ния результатов сейсмических и других геоф изических исследований.

Ст рукт урны е скваж ины — для подготовки к поисково-разведоч­ номубурению перспективны х площ адей, определения элементов за л е ­ гания пластов и составления проф илей данной площади.

Поисковые скваж ины — д л я установления нефтегазоносности пло­ щадей, подготовленных геолого-поисковы ми работами. С труктурно - поисковые скважины обычно неглубокие (до 300— 600 м) и имею т не­ большой диаметр (73— 114 мм).

Разведочные скваж ины б урятся на площ адях с установленной про­ мышленной нефтегазоносностью для оконтуривания м есторож дения и подсчета запасов углеводородов. Обычно разведочное бурение состав­ ляет четвертую часть от объема эксплуатационного бурения. П ри бу­ рении разведочных скваж ин предусм атривается отбор достаточно пред­ ставительного керна, во избеж ание искаж ен ия результатов в буровой раствор не вводятся неф тепродукты . В ыполнивш ие свое назначение разведочные скваж ины ликвидирую тся, консервирую тся или переда­ ются в эксплуатацию.

Эксплуатационные скваж ины — это комплекс добывающ их, нагне­ тательных и наблю дательны х скваж ин. Сюда ж е можно отнести сква­ жины для закачки в недра (сброса) промы словы х вод. Н агнет ат ель­ ные скважины предназначены для закачки воды или газа с целью под­ держания пластового д а в л е н и я и п р о д л ен и я ф онтанного периода разработки месторождений.

5.2.К Л А С С И Ф И К А Ц И Я П О Р О Д О Р А З Р У Ш А Ю Щ И Х И Н С Т Р У М Е Н Т О В

Основными механическими процессами при бурении горных пород являются их деформирование и разруш ение. Д еф орм ирование — это процесс изменения разм еров и ф орм ы тела под действием внеш них сил. Деформация является количественной характеристикой процесса деформирования. Р азруш ен и е горной породы — это потеря породой

сплошности, разделение ее на отдельны е составляю щ ие. Разрушение м ож ет бы ть обусловлено о т р ы в о м или сдвигом. В общем случае любо­ му разруш ению пород предш ествует их пластическое деформирование.

П ри разруш ении горных пород под действием растягиваю щ их или касательны х напряж ений рвутся связи м еж ду минералами, кристал­ литам и (зернами) и другими частицам и вещ ества, участвую щ ими в по­ строении горной породы и образую тся новые свободные поверхности. Н аибольш ее сопротивление разруш ению горные породы оказывают в случае сж ати я, наим еньш ее — в случае растяж ения.

Разруш ение о т р ы в о м является, как правило, хрупким, а поверх­ ность разруш ения нормальна к растягиваю щ ем у главному напряжению. Х рупкое разруш ен и е требует относительно м алы х за тр а т энергии и продолж ается до тех пор, пока накопленной энергии деформаций доста­ точно для образования новых поверхностей разруш ения. Разрушение сдвигом является вязким и связано с действием касательны х напряже­ ний, при этом поверхность сдвига ориентирована под углом более 45е к направлению действия главны х напряж ений . В язкое разруш ение про­ исходит в пластической области при м алы х скоростях деформаций и требует значительны х затр ат энергии.

Горная порода разруш ается вооружением, которое крепится на поро­ доразруш аю щ их инструментах. Вооружение выполняется либо в виде рез­ цов, либо в виде инденторов. Основным инструментом, при помощи кото­ рого при бурении скважин разруш ается горная порода, является долото.

По назначению породоразруш аю щ ие и н с т р у м е н т ы делятся на три группы:

•д л я бурения сплош ны м забоем — долота, предназначенные для углубления скваж ины .

•для бурения кольцевым забоем с образованием кернов — буриль­ ные головки или коронки;

•вспом огательны й и н с т р у м е н т — пикообразны е долота, фрезе­ ры, калибраторы , центраторы , расш ирители, предназначенные для

работы в пробуренной скваж ине и в обсадной колонне.

По х ар актеру разруш ен и я и воздействия на породы различаю т три группы долот:

1. Долота реж ущ е-скалы ваю щ его д ей ст в и я (PC -действия) разруша­ ют породу л о п а с т я м и , наклоненными в сторону вращ ения, и предназ­ начены для бурения м ягких пород.

2. Долота истираю и^е-реж угцего д е й с т в и я (И Р -действия), разру­ ш аю щ ие породу алм азн ы м и зернам и или твердосплавны м и ш т ы р я ­ м и в торцовой части лопастей и в кром ках лопастей.

Î. Долота дробящ е-скалываю щ его д ей ств и я (ДС -действия), р азр у - 1шающие породу располож енны ми на ш арош ках зубкам и или ш т ы р я -

'ми. Шарошки вращ аю тся вокруг своей оси и оси долота. П ри работе этими долотами горные породы разруш аю тся за счет динамического и статического воздействия зубков на забой. Эти долота предназначены для разбуривания неабразивны х и абразивны х пород средней твердо ­ сти, твердых, крепких и очень крепких.

Возможность применения тех или иных инструментов обусловлена механическими свойствами пород и, преж де всего, их т в е р д о с т ь ю . Для

бурения мягких пород изготавливаю тся долота типа М всех трех вы ­ шеперечисленных групп. Д ля бурения средних и тверды х пород вы пол­ няются долота типов С и Т второй и третьей групп. Д ля бурения креп ­ ких и очень крепких пород вы полняю тся долота типа Т только третьей группы — ДС-действия. Долотами этой группы осущ ествляется около 90% объема бурения на неф ть и газ.

Инструменты типов PC - и И Р -д ей стви я имею т вооруж ение в виде резкое или секторов, оснащ енны х износостойкими м атериалами. Р а з ­ рушение горной породы этим и инструм ентами осущ ествляется по схе­ ме резания, скалывания или истирания. Элемент вооруж ения долота, перемещаясь вдоль поверхности горной породы, срезает (скалы вает)

Инструменты типа Д С -действия имею т вооруж ение в виде инденторов на вращ аю щ ихся д етал ях — ш ар о ш ках .Д еф ормирование и р а з ­ рушение горной породы осущ ествляется кратковременным воздействи­ емкаждого индентора по схеме вдавливания со сдвигом (рис. 5.2, б). В заи ­ модействующий с породой зубок долота вдавливается в породу с силой Р, и одновременно участвует в обусловленны х кинем атикой долота скольжении и вращ ении. В это ж е врем я соседний зубок дви ж ется в направлении к поверхности породы и наносит по ней удар. В следую -

щ ий момент первы й зубок вы ходит из контакта с породой, а силовая нагрузка перерасп ределяется (переносится) с первого зубка на второй. Таким образом, основным принципом механического разруш ения гор­ ной породы на забое является д и с к р е т н о с т ь разруш ения: каждый эле­ мент вооруж ения долота периодически оказы вает на горную породу сложное дробящ е-скалы ваю щ ее действие.

Р еж и м р а б о т ы долот принято х арактери зовать следую щ ими пара­ метрами: осевой нагрузкой на долото; ч а с т о т о й вращ ения долота; рас­ ходом промы вочной ж и д к о с т и для выноса разруш енной породы (шла­ ма) и охлаж дения долота.

П ри нагруж ении долота осевой нагрузкой создается необходимое д л я разр у ш ен и я породы усилие и о сущ ествляется отбор (передача) энергии от вращ аю щ егося инструм ента д л я обеспечения разрушения породы по всему забою.

По частоте вращ ения долот различаю т три реж им а работы: низко­ оборотный (роторное бурение) — меньш е 100 об/мин; среднеоборотный; высокооборотный — больш е 400 об/м ин.

П р о и звод и тел ьн ость д о л о т а оп ределяется длиной ствола скважи­ ны, пробуренной долотом до полного его износа. Этот показатель назы­ вается проходкой на д о л о то и и зм ер яется в м етрах. Долговечность д о л о та определяется временем механического бурения до полного из­ носа и изм еряется в часах. Отнош ение этих двух показателей называ­ ется м еханической ск о р о стью проходки, которая характеризует сред­ нюю скорость разруш ен ия горной породы.

Долота независимо от их назначения и конструкции нормализова­ ны по диаметрам . В России вы пускаю тся долота по диаметрам: от 46 мм до 508 мм, в СШ А — от 3 до 26 дюймов.

По кон струкции пром ы вочны х устройств и способу использова­ ния гидравлической мощ ности стр у и пром ы вочной ж идкости разли­ чаю т струй н ы е (гидром ониторны е) долота и проточны е (обычные) долота.

В ги д р о м о н и то р н ы х д о л о т а х струя ж идкости достигает поверх­ ности забоя и помогает разр уш ать горную породу. Наибольший гидро­ мониторный эф ф ек т наблю дается при скорости истечения жидкости из отверстия долота более 60 м /с. Однако эрозионный износ стенок отвер­ стий в стальном корпусе долота не позволяет в полной мере использо­ вать этот эф ф ект.

В п р о т о ч н ы х д о л о т а х промывочная ж идкость плавно омывает ша-^ рош ки и лопасти, очищ ая поверхность забоя.

5.3.КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСО БЕН Н О СТИ ДО Л О Т

5.3.1.Ш арош ечны е д о л о т а

Основной объем буровы х работ вы полняется с использова­ нием шарошечных долот с коническими ш арош ками. Их основное п ре­ имущество по сравнению с лопастны ми долотами следую щ ие:

•площадь контакта с забоем значительно меньш е, а длина рабочих кромок больше, что повы ш ает эф ф ективность разруш ен ия пород;

•интенсивность износа зубьев ш арош ек меньш е износа лезвий ло­ пастных долот;

•вследствие перекаты вания ш арош ек по забою опасность заклини ­

вания долота сводится к минимуму.

Современное шарош ечное долото дробящ е-скалы ваю щ его действия состоит из лап, ш арош ек, несущ их на себе вооруж ение, и опор ш аро­ шек. Кроме того, долото имеет систему промывки и систему смазки опор. Долота изготавливают из легированны х никель-молибденовых и хро- моникель-молибденовых сталей. Д ля повы ш ения износостойкости лапы ишарошки подвергаются цементации (насы щ аю тся углеродом) на глу­ бину до 2,4 мм с последую щ ей закалкой и отпуском.

Элементы вооруж ения в теле ш арош ки могут быть ф резерованны ­ миили твердосплавными— запрессованны м и в отверстия на венцевы х поверхностях шарошек. В аж нейш ие характеристики твердосплавного вооружения — диаметр зубков, вы лет их над телом ш арош ки, радиус кривизны рабочих поверхностей и ш аг разм ещ ения в венце. С точки зрения надежности крепления важ ны м и характеристикам и являю тся диаметр и глубина запрессовки зубков в тело ш арошки.

Стоимость долота зависит от его разм ера и м атериала вооруж ения. Трехшарошечные долота могут им еть м ассу от 5 кг (98,4Т-ЦА) до 316 кг (490С-ЦВ). Долота с твердосплавны м вооруж ением примерно в два раза дороже долот со стальным вооруж ением .

Для бурения сплошным забоем использую тся долота: однош арош еч­ ные — I, двухш арош ечные — II и трехш арош ечны е — III.

Одношарошечные д о л о т а вы пускаю тся со сф ерическим и ш арош ­ ками. Такое долото им еет корпус с присоединительной резьбой, н и ж ­ няя часть корпуса выполнена в виде лапы с наклоненной под углом 30° цапфой (рис. 5.3). На цапф е на радиально-упорны х подш ипниках уста­ новлена сферическая ш арош ка. Ш арикоподш ипники замкового д ей ­ ствия собираются через отверстие в лапе и цапфе. После сборки отверс­ тие закрывается пальцем. В корпусе им еется полость и промывочное отверстие, образующ ие систему промывки долота.

Рис. 5.3. Одношарошечное долото:

1 — корпус с присоединительной резьбой; 2— лапа; 3 — от­ верстие для сборки замкового подшипника; 4 — цапфа; 5 — сферическая шарошка; 6 — промывочное отверстие

Рис. 5.4. Трехшарошечное долото с цент­ ральной системой промывки

С ф ер и ч еская ш арош ка во ор уж ается твердосплавны м и зубками. Зубки вы полняю тся из твердого сплава ВК8-В и имеют разны й радиус скругления рабочей поверхности. Зубки с полусф ерической головкой изготовливаю т д ля разруш ен и я крепких и очень крепких пород. В теле ш арош ки вы полнены пазы для улучш ения выноса ш лама, улучшения охлаж дения и проходимости долота по стволу скваж ины при спуско­ подъем ны х операциях (СПО).

О днош арош ечны е долота образую т круглы й ствол скваж ины и в м еньш ей степени возбуж даю т поперечны е и крутильны е колебания бурильного инструмента. Эти долота прим еняю тся для бурения твер­ ды х пород, залегаю щ их на больш ой глубине.

Д вухш арош ечные д о л о та представляю т собой неразборную конст­ рукцию , состоящ ую из двух сваренных секций (лап), на цапф ах которых смонтированы вращ аю щ иеся ш арошки. Двухш арош ечные долота — гид­ ромониторные с двум я боковыми каналами. В каналах устанавливаются сменные насадки, направляю щ ие струи раствора на периферию забоя.

Т рехш арош ечны е д о л о т а получили наибольш ее распространение. К аж дая из секций долота вклю чает лапу 5. на цапф е 7 которой с помо­ щ ью подш ипников 8 установлена ш арош ка 9, им ею щ ая вооружение в виде зубчаты х или сплош ных венцов 10 (рис. 5.4). На верхнем конце сва­