Вплив параметрів бурового розчину на зміну механічної швидкості буріння - Фізика руйнування
Головна Географія Фізика руйнування гірських порід при бурінні нафтових та газових свердловин
Вплив параметрів бурового розчину на зміну механічної швидкості буріння
Вплив щільності. Щільність надає різноманітний вплив на процес руйнування гірських порід вибою свердловини. З одного боку, зростання щільності бурового розчину збільшує силу Архімеда, що видаляє шлам із вибою, призводить до зростання динамічної фільтрації на вибої, що сприяє розміцненню поверхневого шару гірських порід на вибої, зміцнює стінку свердловини. З іншого боку, зростання щільності збільшує поглинання бурового розчину (якщо цього створилися умови), збільшує гідростатичний тиск, що погіршує відрив шламу від вибою, стримує розвиток магістральної тріщини. Позитивний вплив підвищення щільності бурового розчину на процес буріння значно поступається негативному.
Найбільша зміна механічної швидкості буріння відбувається за зміни щільності промивної рідини (на водній основі) від 1,0 до 1,4 г/см 3 . Залежно від глибини свердловини і механічних властивостей гірських порід, що розбурюються, величина Vм при зазначеній зміні щільності зменшується в 2,0 - 2,5 рази, прохідка на долото знижується до 3,5 разів. Наведені цифри, що характеризують зміни механічної швидкості буріння та проходки на долото, відрізняють як роторний, так і турбінний способи буріння.
Вплив концентрації твердої фази. Показники роботи доліт у разі зростання концентрації дисперсної фази (твердої фази) у промивній рідині СТФ знижуються. Причому вплив твердої фази показники роботи доліт залежить від способу буріння. Найбільш шкідливо на роботу долот впливає тверда фаза при турбінному бурінні (призбільшенні концентрації твердої фази до 10% механічна швидкістьVм знижується вдвічі); при роторному способі буріння, подібне зниження механічної швидкості відбувається при зростанні концентрації твердої фази від 10 до 30 %. Зазначимо наступне правило: зменшення вмісту твердої фази в області високих її концентрацій (наприклад, з 24 до 20 %) призводить до значно меншого приросту механічної швидкостіVм, ніж при зниженні концентрації твердої фази з 12 до 8%. Ця тенденція посилюється з подальшим зниженням вмісту твердої фази в розчині.
Мал. 44.Залежність механічної швидкості проходки від властивостей промивної рідини: а - густини, б - вмісту твердої фази, в - показника фільтрації, г - умовної в'язкості
Природа впливу твердої фази бурового розчину на ефективність руйнування гірських порід пов'язується з погіршенням умов зародження та поширення тріщин, що формують лунку виколу в гірській породі вибою свердловини.
Слід зазначити й такі помічені під час буріння свердловин факти:
? крім концентрації твердої фази на величину механічної швидкості впливає і дисперсність дисперсної фази: зі зменшенням дисперсності твердої фази величинаVм стає менше.
Вплив в'язкості. Наявні дані про вплив в'язкості на механічну швидкість буріння менш визначені, як у разі впливу щільності на величинуVм. Значною мірою це пов'язано зі складністю використання цього поняття у бурінні. У ньютонівських рідин величина коефіцієнта динамічної в'язкості залишається постійною за будь-якої швидкості зсуву. Але навіть при використанні ньютонівської рідини як промивної рідинидля оцінки її рухливості використовується умовна в'язкість, що характеризує гідравлічні опори при закінченні рідини, що промиває, з приладу СПВ-5 або склянки Марша через коротку трубку. Величина часу закінчення лише віддалено несе інформацію про величину коефіцієнта динамічної в'язкості рідини. Слід пам'ятати, що із зменшенням в'язкості (умовної, динамічної, пластичної) промивної рідини відзначається загальний позитивний ефект: знижуються енергетичні витрати на циркуляцію, покращується очищення вибою за рахунок ранньої турбулізації потоку під долотом, з'являється можливість реалізувати велику гідравлічну потужність на долоті, зменшуються у кільцевому просторі свердловини.
Досвід буріння свердловин показує, що верхня межа умовної в'язкості, що визначається приладом СПВ-5, не повинен перевищувати 30 с для рідин для промивання щільністю до 1,4 г/см 3 і 45 с для промивних рідин щільністю, що перевищує 1,4 г/см 3 . Пластична в'язкість для цих розчинів не повинна перевищувати 6 і 10 Па·с, відповідно.
Наявні дані свідчать, що із збільшенням умовної в'язкості від 30 до 80 з механічна швидкість буріння знижується на 30 %, а середня проходка на долото - на 20 - 25 %; за даними ВНИИБТ зі збільшенням умовної в'язкості рідини для промивання в середньому від (4 - 20) до (8 - 120) з механічна швидкість буріння знижується на 20 - 40 %. Особливо помітно це в області підвищених щільностей рідини для промивання (1,3 - 1,4) г/см 3 .
Вплив пластичної в'язкості бурового розчину, що є значно суворішою технологічною характеристикою бурового розчину, ніж умовна в'язкість, на ефективність роботи долот вивчено тільки в стендових умовах при бурінні гірських порід шарошечними долотами малогодіаметра та алмазними долотами. Встановлено, що величина механічної швидкості при бурінні шарошечними долотами зменшується зі зростанням пластичної в'язкості, але при перевищенні в'язкістю величини 40·10 -3 Па·з вплив її наVм зникає. Найбільше впливом геть зменшення механічної швидкості в'язкість надає у разі зростання до значення 28·10 -3 Па·с.
При стендовому бурінні алмазними долотами встановлена прямо-лінійна залежність міжVм та пластичною в'язкістю в діапазоні (5,0 - 30)·10 -3 Па·с. Стендові дослідження показують, що залежність механічної швидкості від пластичної в'язкості однакова при швидкостях обертання долота 60 та 180 об/хв.
Вплив показника фільтрації рідини для промивання. Для поліпшення руйнування гірської породи на вибої свердловини доцільно прагнути збільшення показника фільтрації промивної рідини. Його вплив на механічну швидкість буріння пов'язується зі зміною гідродинамічних процесів в поверхневому шарі гірської породи, що руйнується на вибої. Наявні практичні дані (досвід буріння свердловин на Дніпровсько-Донецькій западині) показують, щоVм зростає при зростанні показника фільтрації у всьому діапазоні зміни щільності рідини для промивання.
Для досягнення великих значеньVм необхідно, щоб початкова фільтрація промивної рідини в момент руйнування гірської породи на вибої була високою для забезпечення швидкого зниження тиску. При виборі величини показника фільтрації слід керуватися правилом: швидкість фільтрації рідини для промивання повинна різко знижуватися з часом до нуля, забезпечуючи при цьому інтегральну величину показника фільтрації за 30 хв.
Збільшення показника фільтраціїпризводить до зниження стійкості гірських порід стінки свердловини через стимулювання розвитку зсувного руйнування рідиною.