книги из ГПНТБ / Промывка при бурении, креплении и цементировании скважин

I

ПРОМЫВКА ПРИ БУРЕНИИ, КРЕПЛЕНИИ

И ЦЕМЕНТИРОВАНИИ СКВАЖИН

ИЗДАТЕЛЬСТВО « НЕДРА»

М о с к в а 1974

УДК 622.244.4

/

Щ-ниъ

мывкой скважины при бурении, креплении и цементировании. Боль­ шое внимание уделено бурению скважин в условиях равновесия давления в системе пласт — скважина.

Даны рекомендации по выбору буровых насосов и рациональ­ ной их эксплуатации в процессе бурения. Приведены алгоритмы гид­ равлических расчетов на ЭЦВМ «Минск-22».

Книга предназначена для инженерно-технических и научных ра­ ботников буровых предприятий нефтяной и газовой промышленности.

Табл. 20, ил. 60, список лит, — 111 назв.

Авторы: В. Г. Беликов, А. И. Булатов, Р. Ф. Уханов, В. И. Бонда­ рев

043(01)—74

ВВЕДЕНИЕ

От правильного решения вопросов, связанных с повышением ка­ чества промывки как при проводке, так и при креплении скважи­ ны, зависят и успех ее бурения, и качество цементирования, а сле­ довательно, и сроки безремонтной эксплуатации скважин, и охра­ на недр. Сейчас без хорошо организованной промывки ствола не­ мыслимо дальнейшее развитие глубокого и сверхглубокого буре­ ния. Чистота ствола является залогом безаварийного бурения и ка­ чественной изоляции затрубного пространства. Оптимизация про­ мывки скважины особенно актуальна при бурении на больших глубинах. В то же время решение вопросов совершенствования про­ мывки скважин довольно сложно, что подтверждается наличием большого количества работ на эту тему и существованием зна­ чительных противоречий в выводах авторов. Целью настоящей работы является освещение не только результатов последних ис­ следований авторов, но и глубокий критический анализ предше­ ствующих работ с выдачей рекомендаций по совершенствованию промывки с учетом качественной очистки забоя и ствола скважины при эффективном использовании забойных двигателей и насос­ ных установок. Это должно обеспечить в каждом конкретном слу­ чае достижение высоких коммерческих скоростей бурения с при­ менением долот различных типов.

Книга охватывает большой круг вопросов, связанных с про­ мывкой не только в процессе механического бурения, но и при

денных одним из авторов на специальном стенде и на буровых. Поскольку качество промывки ствола тесно связано со степенью удаления из промывочной жидкости шлама, в книге нашла отра­ жение теория очистки растворов на вибрационных ситах. В ра­ боте впервые обширно излагаются исследования гидравлического удара применительно к вопросам промывки и цементирования. Необходимость рассмотрения представленных задач связана с воз­ можностью нарушения обсадных колонн при цементировании, а также с возникновением гидравлических разрывов пластов.

3

Г Л А В Л I

ПРОМЫВКА ЗАБОЯ СКВАЖИНЫ ПРИ БУРЕНИИ

ВЛИЯНИЕ ПРОМЫВКИ ЗАБОЯ СКВАЖИНЫ НА по ка за те ли работы д о л о т

нагрузки на долото £д (рис. 1) [18, 69, 86].

При идеальной очистке забоя значения ам и Si определяются только способностью долота разрушать породу. На рис. 1 эти идеальные условия характеризуются линией ОЕ.

виях. Такие результаты можно получить при очистке забоя газо­ образными агентами или при минимальном статическом давлении промывочной жидкости.

Вдоль кривой ОА лежит так называемая рабочая область, а между этой областью и кривой ОЕ — область почти идеальной очи­ стки забоя.

С целью упрощения различных расчетов кривую ОА аппрок­ симируют прямой СдА, называемой рабочей линией. Последняя характеризует потенциальные возможности долота при данных условиях бурения. При увеличении прочности горной породы нак­ лон рабочей линии уменьшается, а отрезок ОСд, отсекаемый этой линией на оси удельных нагрузок, увеличивается.

В большинстве случаев рассматриваемые точки ложатся ниже рабочей линии, в так называемой области недостаточной очистки забоя. Характерные линии TL, T'L', T"L" представляют собой кри­ вые недостаточной очистки забоя. Нижней границей указанной об­ ласти является линия СДВ, называемая линией минимального уг­ лубления. Очевидно, более точно значения su соответствующие рассматриваемому условию, должны аппроксимироваться линией,

5

проходящей через начало координат. Однако, поскольку существу­ ет количественный контроль за положением рабочей прямой, было признано целесообразным линию минимального углубления про­ водить из точки пересечения рабочей прямой с осью абсцисс.

Под линией минимального углубления находится область не­ удовлетворительной очистки забоя, соответствующая самым худ­ шим условиям бурения с точки зрения разрушения горной породы

и промывки забоя. Характерными линия-

Ами этой области диаграммы являются

боя. Часто переход на использование долот, предназначенных для более мягких пород, приводит к улучшению показателей бурения при таких же или даже несколько меньших осевых нагрузках. По­ этому, если данные не ложатся на рабочую линию, необходимо проверить правильность выбора долота.

Если результаты бурения соответствуют линии недостаточной очистки забоя, повышение механической скорости может быть по­ лучено увеличением Q или (или и Q, и ѵи, где ѵп— скорость ис­

6

течения, промывочной жидкости из промывочных устройств доло­ та). При этом, если указанные показатели находятся в непосред­ ственной олизости от рабочей линии, еще больший прирост меха­ нической скорости может быть получен при одновременном повы­ шении G. Чем круче наклонена кривая недостаточной очистки за­

боя к оси нагрузок, тем большим в этом случае будет эффект от увеличения осевой нагрузки.

Если интенсивность циркуляции промывочной жидкости недо­ статочна для удаления в кольцевое пространство выбуриваемой породы, то показатели бурения ложатся на кривую неудовлетвори­ тельной очистки забоя. Эта кривая соответствует максимальному объему выбуренной породы, который может быть удален из-под до­ лота за данный промежуток времени при данных свойствах про­

мывочной жидкости и горной породы, давлении на забой и гидрав­ лики промывки.

В общем случае зависимость механической скорости проходки

ѵм от расхода промывочной жидкости Q описывается уравнением

[86]

Связь между им и Q можно выразить также следующим урав­ нением:

ств проходимых пород, качества промывочного флюида, конструк- 'ции долота, размера кольцевого пространства, G и скорости враще­ ния долота п.

При роторном способе бурения и при бурении электробурами а<1. При турбинном же бурении расход промывочной жидкости влияет на показатели бурения не только через степень очистки забоя, но и посредством других факторов, зависящих от Q. С уве­ личением Q возрастает скорость вращения долота и повышается приемистость турбобура к осевой нагрузке на долото, увеличивает­ ся механическая мощность на долоте \ЕД. Поэтому при турбинном бурении обычно а>1; по крайней мере, этот показатель значитель­ но выше, чем при роторном бурении и бурении электробурами.

Как свидетельствуют промысловые данные роторного бурения и бурения электробурами, улучшение очистки забоя скважины как в результате повышения расхода промывочной жидкости и ско­ рости истечения ее из промывочных устройств долота, так и путем

ность долот с повышением Q уменьшается, так как увеличение Q обычно сопровождается ростом G и п.

7

В определенном диапазоне изменения Q связь между долговеч­ ностью долот и расходом промывочной жидкости можно выразить двучленным линейным уравнением [86]:

для роторного бурения

[18] показывают, что в ряде случаев повышение расхода промы­ вочной жидкости при роторном способе бурения и при бурении электробурами сопровождается возрастанием скорости изнаши­ вания опор трехшарошечных долот, а следовательно, снижением долговечности последних.

Что касается проходки на долото, то при роторном бурении и бурении электробурами она возрастает с ростом Q обычно суще­ ственнее, чем üm; в турбинном же бурении, как правило, наобо­ рот— проходка на долото зависит от Q меньше, чем от ѵм,и может даже несколько снижаться с ростом Q (в зависимости от соотно­ шений между G и п, поддерживаемых в процессе бурения) [67].

Установившийся процесс работы долота на забое скважины всегда представляет собой состояние динамического равновесия процессов разрушения горной породы и удаления продуктов раз­ рушения в кольцевое пространство над долотом. Поэтому для пра­ вильного понимания вопросов промывки забоя скважин необходи­ мо хорошо знать основные закономерности указанных процессов и влияние различных факторов на эти процессы.

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ШЛАМА ПРИ БУРЕНИИ

Процесс разрушения горной породы при внедрении в нее ин­ струмента может быть условно разделен на три основные стадии (или фазы) [97, 98]: упругих деформаций, предразрушения и за­ ключительную стадию.

На первой стадии наблюдается упругое уплотнение породы с по­ верхностным разрушением последней (смятие и выламывание от­

8

дельных зерен, возвышающихся над общим уровнем поверхности породы).

Па второй стадии в породе образуется трещина, разделяющая верхнюю часть полупространства на две области: усеченный ко­ нус (или предразрушенное ядро) и окружающую его консоль.

Заключительная стадия состоит в отломе консоли путем пере­ дачи на нее части давления инструмента через материал конуса

механизм разрушения горной породы. Обоим механизмам разру­

Скоростная киносъемка ударного внедрения инструмента в гор­ ную породу в атмосферных условиях [41, 108] показывает, что про­ цесс разрушения породы при этом аналогичен процессу при ста­ тическом внедрении. Правда, в этом случае разрушение породы на­ поминает взрыв, и частицы консоли разлетаются от места действия инструмента, в то время как при статическом разрушении указан­ ные частицы остаются на месте их образования. По данным фирмы «Юз Тул», при ударе зубца шарошечного долота по породе полу­

9