Вплив диференціального тиску на зміну механічної швидкості буріння

На частку шарошкових доліт доводиться біля 90 % всієї проходки, проте із зростанням глибини буріння показники роботи цих доліт значно погіршуються.

При поглибленні свердловин, пробурених в різних районах, від 1000 до 5000м механічна швидкість проходки V_м іноді знижується в 25 разів, а швидкість буріння — в 33 рази (В.Б. Штур, М.Р. Мавлютов і ін.). Основною причиною різкого погіршення техніко-економічних показників буріння із зростанням глибини, на думку більшості, вітчизняних і зарубіжних дослідників, являється зміна вибійних умов руйнування гірських порід (гідродинамічні процеси в зоні руйнування гірських порід на вибої свердловини) і умов очищення вибою свердловини.

При цьому мається на увазі вплив таких чинників, як наявність порового Р_п, пластового Р_пл, диференціального ∆Р, пригноблюючого Р_пр, та гідростатичного тисків на вибої свердловини Р_г; якість бурового розчину; частота обертання долота і динаміка його роботи; осьове навантаження на долото та інше.

В результаті дії деяких чинників погіршується буримість гірських порід унаслідок зростання їх міцності на стиснення і зусиль, що притискують частинки породи (шлам) до вибою, в основному через виникнення в зоні руйнування високого диференціального і пригноблюючого тисків.

Притискувальні сили мають статичну і динамічну природу і їх значення є складною функцією майже всіх відомих показників, які характеризують процес буріння (руйнування).

Диференціальний (статичний) тиск ∆Р_диф,що обумовлює статичні сили — різниця між гідростатичним тиском бурового розчину в свердловині Р_г і пластовим Р_пл (поровим Р_п) тиском у відповідній точці пласта.

∆Р_диф = Р_г - Р_пл , (8.3)

де Р_г — гідростатичний тиск, МПа;

Р_пл — пластовий тиск, МПа.

Диференціальний тиск — основний чинник, який є визначальним показником роботи бурових доліт. Встановлено, що за інших рівних умов механічна швидкість проходки збільшується із зменшенням диференціального тиску на вибій.

Інтенсивне зниження механічної швидкості буріння відбувається в початковий момент зростання диференціального тиску до 1,4 — 5,6 МПа. Подальше підвищення ∆Р_диф супроводиться стабілізацією V_м.

Вплив диференціального тиску на механічну швидкість буріння особливо помітний при Р_диф<3,5 МПа (рис.8.8).

Зменшення механічної швидкості із зростанням диференціального тиску пояснюється головним чином погіршен­ням відділення частинок зруйнованої породи (шламу) від вибою за рахунок збільшення притискуваль­ної сили, що приводить до повторного його роздроблення.

Рисунок 8.8 − Вплив диференціального тиску на механічну швидкість буріння

Аналіз зарубіжних матеріалів показав, що при бурінні свердловин в Південній Луїзіані (США) зменшення диференціального тиску від 7,0 МПа до 0 привело до зростання механічної швидкості проходки на 70 %.

Встановлено, що вплив перепаду тиску на механічну швидкість проходки більш помітно виявляється при зростанні осьового навантаження на долото, а це означає, що чутливість механічної швидкості проходки до диференціального тиску на вибої зростає із збільшенням осьового навантаження на долото.

Для низькопроникних порід вплив диференціального тиску достатньо великий, а для високопроникних — незначний. Таке явище можна пояснити наступним чином.

В процесі буріння в проникних гірських породах під дією позитивного перепаду тиску (Рг > Рпл) в системі свердловина — пласт фільтрат бурового розчину проникає в породу. При фільтруванні дисперсна фаза розчину, частково кольматуючи шар породи, відкладається на її поверхні у вигляді шару осадка, в любому випадку утворюючи фільтраційну кірку, яка спільно з породою чинить додатковий опір руху фільтрату. Останній, проникаючи в породу, викликає перерозподіл тиску на глибині зародження тріщин (умовно названих магістральними), що формують лунку виколу (глибина руйнування). В результаті цього по трасі магістральної тріщини буде не пластовий тиск, а інший, рівний тиску на глибині руйнування, — Рр.

Так як Р_г >Р_р , то диференціальний тиск ∆Р_диф буде мати менше значення, а саме:

∆Р_диф = Р_г-Р_р(8.4)

Це і пояснює збільшення механічної швидкості буріння.

При руйнуванні непроникних гірських порід тиск на глибині руйнування Р_р буде рівний пластовому Р_пл (поровому Р_п) і тоді диференціальний тиск ∆Р_диф буде мати більше (повноцінне) значення (формула 8.3), від чого проходить зменшення механічної швидкості буріння.

При негативному диференціальному тиску механічна швидкість проходки продовжує збільшуватися, часто в зростаючому темпі.

Таким чином, в даний час вважається, що при існуючих режимах буріння диференціальний тиск як правило, є основним чинником, який визначає техніко-економічні показники буріння. При збільшенні ∆Р_диф до 1,4 — 7,0 МПа в залежності від умов буріння механічна швидкість буріння може зменшуватися в 2 —5 разів.

Динамічні сили,які також погіршують умови руйнування вибою,виникають в результаті дії гідравлічних опорів в затрубному просторі та тиску пригнобленняР_пр.

Отже, загальний тиск на вибої свердловини Р_виб залежить не тільки від гідростатичного тиску, але ще й від гідродинамічного тиску (гідравлічні опори в затрубному просторі), який, як правило, не перевищує 2,0—2,5 МПа.

В процесі розвитку магістральної тріщини первинний тиск в її порожнині Р_тр практично рівно нулю. Оскільки Р_виб> Р_тр , то над частинкою по довжині тріщинивиникає динамічний перепад тиску, який притискує частинку до масиву породи, тобто пригноблює її. Щоб уникнути плутанини на відміну від диференціального тиску цей перепад тиску запропоновано іменувати пригноблюючим тискомР_пр.

Для заповнення порожнини тріщини рідиною і відновлення тиску в ній потрібний певний час, тому, в залежності від часу контакту зуба долота з породою, проникності порід (умов руйнування), пригноблюючий тиск може змінюватися в діапазоні значень від диференціальному тиску до тиску на вибої свердловини. При руйнуванні непроникних гірських порід діапазон зміни пригноблюючого тиску Р_пр дещо менший.

Для розрахунку диференціального і пригноблюючого тисків необхідно знати закономірності утворення фільтраційної кірки, эпюру розподілу тиску в приповерхневому шарі руйнованої породи, час заповнення об'єму магістральної тріщини флюїдами і час відновлення тиску в тріщині до рівня Р_р.

В більшості випадків динамічний тиск визначають експериментально, і за твердженням дослідників, при всіх дослідах він не перевищує 4,3 МПа.

Як бачимо з вище викладеного матеріалу, диференціальний тиск, гідравлічні опори в затрубному просторі і пригноблюючий тиск — це комплексний чинник, який залежить від густини і в'язкості бурового розчину, режиму циркуляції, співвідношення геометричних розмірів стовбура свердловини і бурильного інструменту і т.д.

Незалежно від первинної причини збільшення цих тисків в свердловині, завжди буде погіршенням показників роботи доліт.

►8.2.5. Вплив перепаду тиску ∆Р_д в насадках долота (числа Рейнольдса потоку)

Лабораторні дослідження, виконані фірмою «Esso Production» з допомогою мікродоліт, довели, що механічна швидкість буріння найкращим чином корелюється з числом Рейнольдса потоку буро­вого розчину під долотом (рис. 8.9).

Наступні про­мислові дослідження, виконані канадською фір­мою «Imperial Oil», підтвердили характер цієї за­лежності.

Вважається, що причиною тісної кореляції між v_m і Re служить те, що число Рейнольдса є показником товщини граничного шару бурового розчину біля вибою. При цьому власне граничний шар затруднює змивання уламків породи з вибою.

У залежності від збільшення швидкості руху рідини збільшується число Re. Очищення вибою свердловини від шламу та руйнування породи підвищується за рахунок гідромоніторної дії стру­меня промивальної рідини із насадок долота. Гідромоніторний ефект досягається при швидкостях витікання рідини з насадок не менше 80 м/с.

При дії гідромоніторного струменя на вибої свердловини можуть спостерігатись різні ефекти, а саме:

• змивання глинистої кірки, що зумовлює підвищення тиску на глибині руйнування і зменшує ефективні напруження в скелеті породи;

• змивання з вибою зруйнованих частинок породи (шламової подушки);

• вимивання недоруйнованої породи і руйнування перемичок між лунками, які утворились під зубами долота;

---

Дата добавления: 2015-07-25