книги из ГПНТБ / Арцимович, Г. В. Влияние забойных условий и режима бурения на эффективность проходки глубоких скважин

УД К 552:622.24:669.018.25

Вкниге изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов, протекающих при взаимодействии породо­ разрушающих элементов долота с забоем глубокой скважины. Приводится фактический материал о механических свойствах горных пород и механиз­

ме их разрушения в условиях, моделирующих забойные. Большое вни­ мание уделено исследованиям процесса износа твердых сплавов при тре­ нии их о горные породы, взаимосвязи между стойкостью долот и ре­ жимом бурения и т. п. Описана конструкция новых долот режущего типа, приведены сведения о новом композиционном материале повышен­ ной износостойкости, изложены результаты производственных испыта­ ний созданного инструмента в рациональных режимах и показана

эффективность его применения.

Книга рассчитана на инженерно-технических и научных работни­ ков, занимающихся совершенствованием буровых процессов, а также на преподавателей и студентов горных и нефтяных вузов.

ф ц 'З ё Я З б ’

Герман Владиславович Арцимович

ВЛИЯНИЕ ЗАБОЙНЫХ УСЛОВИЙ И РЕЖИМА БУРЕНИЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОХОДКИ ГЛУБОКИХ СКВАЖИН

Ответственный редактор

Эдуард Антонович Бондарев

7,1 уч.-изд. л. Тираж 1100 экз: Заказ № 39. Цена 71 коп.

Издательство «Наука», Сибирское отделение. 630099, Новосибирск, 99, Советская, 18. 4-я типография издательства «Наука». 630077, Новосибирск, 77, Станиславского, 25

X

ВВЕД ЕН И Е

Девятый пятилетний план развития народного хозяйства

СССР предусматривает увеличение к 1975 г. добычи нефти до

480—500 млн. т, газа до 300—320 млрд, м3 и доведение удель­

ного веса этих видов сырья в топливном балансе страны до 67% . Рентабельность буровых работ должна повыситься

в 1,5 раза, а производительность труда в нефтегазовой промыш­

ленности возрасти в 1,3—1,4 раза [1].

В 1971—1975 гг. для обеспечения прироста запасов нефти и

газа и достижения намеченных объемов их добычи необходимо

пробурить около 90 млн. м скважин, что в 1,3 раза превышает объем бурения в предыдущей пятилетке. Средние глубины

разведочного бурения возрастут с 2500 до 3000 м, резко увели­

чится объем бурения на глубину 4500—5000 м.

Учитывая, что около 50% средств, направляемых в отрасль, расходуется на буровые работы, а условия бурения непрерывно

усложняются в связи с увеличением глубины скважин и пере­

мещением работ в новые труднодоступные районы [2, 3], серьезность поставленных задач становится очевидной.

Анализ показывает [4], что при сохранении темпов техни­ ческого прогресса на уровне 1960—1970 гг. выполнение постав­ ленных задач потребовало бы резкого увеличения числа буро­

вых станков. Но такой путь неприемлем. Для достижения конт­

рольных цифр, намеченных пятилетним планом, и обеспечения

дальнейшего успешного развития отрасли в последующие годы

необходимо осуществить коренное техническое перевооружение

буровых работ на базе совершенного оборудования, инстру­

мента, высокоэффективных материалов.

Поскольку основным процессом при проводке скважин

является разрушение горных пород, то в первую очередь от

степени совершенства этого процесса зависит эффективность

бурения. Основные технико-экономические показатели, харак­

теризующие рентабельность работы предприятия отрасли, — стоимость метра проходки и рейсовая скорость бурения. Буре­ ние — распространенный вид работ, поэтому даже небольшое

4

улучшение названных показателей дает огромный эффект

в масштабах народного хозяйства страны. Так, подсчитано [5], что создание буровых долот, обеспечивающих повышение про­

ходки на 10% при одновременном увеличении стоимости изде­

лия в 2 раза, дает годовую экономию более 10 млн. рублей.

Таким образом, можно говорить о громадных потенциальных

возможностях в области совершенствования породоразруша­

ющего бурового инструмента.

Опыт многих предприятий показывает, что если при комп­

лектовании наборов разрушающего инструмента учитываются

физико-механические свойства пород в проходимых интервалах,

показатели отработки долот повышаются на 20—25% как по

проходке, так и по механической скорости бурения.

Сказанное выше свидетельствует о необходимости постанов­

ки комплексных исследований, охватывающих широкий круг вопросов, связанных с изучением закономерностей забойных

процессов при бурении. Настоящая работа и посвящается исследованию этих вопросов.

Г л а в а I

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

ГЛУБОКОГО БУРЕНИЯ

§ 1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ БОЛЬШИХ ГЛУБИН

Последняя четверть X X в. характеризуется значительным

ростом потребления минерального сырья, освоением новых

источников энергии, созданием новых химических соединений. Поэтому отмечается исключительное внимание исследователей

к земным недрам. Однако человечество проникло в глубь земли

всего на 9 км и в ближайшие годы предполагается пробурить

скважины глубиной 10—15 км.

Физико-механические свойства горных пород, слагающих

земную кору, зависят не только от их вещественного состава,

но и от термодинамических условий на тех или иных глубинах.

В числе факторов, определяющих специфику больших глубин, можно назвать горное давление, температуру, пластовое дав­ ление, физико-химическое влияние жидкости, заполняющей

5

поровое пространство, и продолжительность процесса дефор­

где у — средний объемный вес горных пород до глубины Н. Если полагать, что земная кора — упругое тело, а гравитаци­

онные силы являются единственным фактором, определяющим

напряженное состояние пород на различных глубинах, то гор­ ное давление может быть выражено через среднее нормальное

напряжение

горизонтальной составляющей горного давления невозможно без нарушения целостности массива. По этой причине до послед­ него времени величина бокового распора определяется на осно­

вании теоретических расчетов.

Полагая, что на больших глубинах в связи с релаксацией касательных напряжений под действием высоких температур и длительностью периода формирования земной коры коэффициент бокового распора стремится к единице, приходим к формуле (1). Следуя же закону упругого распределения и не учитывая воз­ можности релаксации касательных напряжений, согласно реше­ нию А. Н. Динника [8], приходим к формуле

где (д, — коэффициент Пуассона.

До настоящего времени нет достоверного фактического материала, позволяющего отдать предпочтение той или иной

из рассмотренных гипотез. Более того, вряд ли какая-либо

из крайних точек зрения в состоянии охарактеризовать зави­ симость a = f(Ii) для всего многообразия геотектонических ус­ ловий и видов деформации массива. Полагая, что в ненарушен­

ном массиве более правомерно ожидать с ростом глубины изме­

нения горного давления по гидростатическому закону, можно получить ориентировочные цифры этого параметра. На глуби­

6

нах 7—10 км при среднем удельном весе вышележащей толщи пород 2,5 г/см8 горное давление составляет 1750—2500 кг/см2.

Температурные условия глубинных зон изучены очень слабо.

При теоретических подсчетах температур на больших глубинах обычно исходят из величины теплопотока изнутри земли, равной

1,2 мккал/см2- с. Замеры температур на сравнительно неболь­ ших глубинах (до 7000 м), проведенные в нефтяных и газовых скважинах, подтверждают средний общепринятый геотермиче­ ский градиент 0,03 град/м. Однако анализ литературного мате­ риала показывает, что геотермический градиент колеблется

в довольно широких пределах даже для одного и того же райо­

на и может изменяться с глубиной в несколько раз [9]. На рис. 1

приведены данные замера температур в глубоких скважинах

по материалам отечественной и зарубежной практики. Как вид­ но из графика, есть отклонения в обе стороны от величины сред­ него геотермического градиента. Во многих случаях с ростом глубины геотермический градиент уменьшается, что объясня­

ется увеличением плотности и теплопроводности горных по­ род [10]. Поэтому для глубины 7—10 км следует ожидать

температуры 170—200°С, а не 210—300°, как это следует из

величины среднего геотермического градиента.

Горные породы, слагающие земную кору, являются пори­

стыми средами. Пористость горных пород изменяется в широ­

ких пределах. В природных условиях поры обычно заполнены пластовыми жидкостями, находящимися под определенным

давлением, пропорциональным глубине залегания пласта.

Подобное положение имеет место, когда пласт выходит на

поверхность или связан с проницаемым пластом, выходящим на поверхность. Тогда пластовые давления для названных

т,°с

200-

100-

7

выше глубин могут составлять 700—1000 кг/см2. В случае

изолированности продуктивного пласта давление поровой жид­

кости может достичь величины горного давления. Роль пласто­

вого давления сводится к изменению напряженного состояния

каркаса коллектора.

Таким образом, средние предположительные значения термо­

динамических параметров, ожидаемые на глубинах, которые

будут достигнуты в ближайшие годы при бурении геологораз­

Полученный диапазон изменения основных термодинамиче­

ских параметров на больших глубинах необходим для установ­

ления граничных условий при исследовании влияния этих фак­ торов на физико-механические свойства и механизм разрушения

горных пород.

§ 2. ТЕНДЕНЦИИ В ИЗМЕНЕНИИ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БУРЕНИЯ С РОСТОМ ГЛУБИНЫ СКВАЖИН

Анализ литературных источников показывает, что с увели­ чением глубины скважины значительно снижается механиче­ ская скорость бурения и проходка на долото. Это явление прак­ тически присуще всем нефтегазоносным районам страны [11 — 13]. Как правило, зависимость носит гиперболический характер

(рис. 2). Как видно из графика, на глубине 4500 м проходка на

долото и механическая скорость бурения снижаются в десятки

8

телями в делом по скважине. Анализ показывает, что увеличение

глубины бурения в 2-,5 раза вызывает следующие изменения технико-экономических показателей: механическая скорость бурения снижается примерно в 3 раза,коммерческая—приблизи­ тельно в 3,5 раза, число долблений, необходимых для проводки

скважины, возрастает почти в 3 раза, время, необходимое для

выполнения спуско-подъемных операций,— почти в 10 раз.

Для выяснения общих причин, снижающих эффективность бурения на нижних горизонтах, обратимся к табл. 1 [14]. Материалы таблицы дают представление об изменении техниче­

ских показателей не в целом по скважине, а по отдельным ин­

тервалам, что весьма удобно для анализа. Еще раз можно убе­

диться в резком снижении механической скорости бурения и

проходки на долото. При этом, как и на рис. 2, интенсивность

снижения названных показателей особенно значительна в ин­

тервале от 0 до 1500—2000 м.

Анализ приведенных материалов позволяет констатировать,

что снижение производительности объясняется ухудшением

буримости горных пород с ростом глубин. Для установления

причин подобного явления необходимо исследовать физико­

механические характеристики пород и закономерности их из­

менения при соответствующих термодинамических условиях

на глубине. Правомерно и предположение о возможности суще­ ственного изменения механизма разрушения призабойной зоны породоразрушающими элементами долота в специфических термодинамических условиях. Снижение механической ско­ рости бурения на нижних интервалах есть следствие уменьше­ ния осевой нагрузки на долото. Бурение на пониженных осе­ вых нагрузках бывает вынужденным, поскольку по мере углубления скважины растут гидравлические потери и снижа­

ется крутящий момент на вале турбобура. Однако не эта причи­

на является главной в снижении механической скорости буре­ ния (что доказано сравнительными испытаниями турбинного и

9