Одна з головних функцій циркулюючого бурового розчину - очі-стка забою і стовбура свердловини від уламків породи. Від ефективності ви-конання цієї функції значною мірою залежить швидкість проходки свердловини. Однак в ряді випадків набагато більше на швидкість буріння впливає інший фактор циркуляції - гідромоніторний ефект розмиву вибою: зі збільшенням швидкості витікання бурового розчину з насадок долота швидкість буріння збільшується.
Швидкість і режим циркуляції бурового розчину визначають інтенсивність-ність розмиву вибою потоком, значення диференціального тиску на вибої, якість очищення забою і стовбура від зруйнованої породи, ступінь розмиву свердловини, енергетичні витрати на циркуляцію, тобто то, що прямо впливає на швидкість буріння свердловин.
З підвищенням продуктивності промивання буде інтенсифікує-тися розмив породи на забої, поліпшуватися видалення шламу з вибою, при цьому швидкість буріння повинна збільшуватися. Однак виникають і отри-цательного моменти: підвищується диференціальне тиск на забої за рахунок збільшення втрат напору в кільцевому просторі і тиску па-дає на забій струменя бурового розчину, інтенсифікується процес розмиву стінок стовбура свердловини висхідним потоком, ростуть енергетичн-ські витрати на циркуляцію, можуть виникнути поглинання бурового рас-твора.
Таким чином, при виборі гідравлічної програми промивання свердловини для кожного конкретного випадку має бути прийняте КОМПРО-міссное рішення, що дозволяє досягти високих швидкостей буріння при мінімальних витратах на процес буріння. При цьому швидкість і направ-ня закінчення бурового розчину з насадок долота, режим циркуляції під долотом в кільцевому просторі свердловини, диференціальне гід-родінаміческое тиск на забої - основні показники промивки, що впливають на ефективність процесу буріння.
Всі показники промивки визначаються насамперед значенням по-дачі бурових насосів і настільки тісно взаємопов'язані, що найчастіше їх ролі важко розділити.
Продуктивність циркуляції бурового розчину - комплексний показник промивання свердловин. З ростом цього значення поліпшується очи-стка забою, а отже, підвищується ефективність роботи долота. У той же час збільшуються втрати тиску в кільцевому просторі і зростає гідродинамічний тиск на забої, створюються несприятливі умови для відходу сколеній долотом частки від забою, ККД долота сни-жается, внаслідок чого зменшуються механічна швидкість проходки і проходка на долото.
B.C. Федоровим встановлено, що існує певна межа
технологічно необхідного витрати промивної рідини, подальше збільшення якого нераціонально. Ця межа диктується, в першу оче-гу, необхідністю забезпечення ефективного очищення забою від шламу. Його знаходять дослідним шляхом.
При вивченні впливу щільності бурового розчину на показники ра-боти долота встановлено, що в різних умовах буріння воно количествен-но різний і залежить також від глибини свердловини, типу порід, порового тиску і т.д. Найкраще проходка на долото і механічна швидкість проходки корелюються з диференціальним статичним тиском (з різницею між гідростатичним і внутріпорового тисками). Чим менше ця різниця, тим ефективніше порода руйнується долотом. Оче-видно, диференціальне тиск на забої є комплексним пара-метром, який значно впливає на характер взаємодії долота з породою на забої.
Зі збільшенням продуктивності циркуляції бурового розчину ростуть гідравлічні втрати в кільцевому просторі свердловини і в зв'язку з цим підвищується гідродинамічний тиск на забій. Особливо це помітно при переході від ламінарного режиму течії до турбулентному-му. Втрати тиску в кільцевому просторі свердловини можуть при цьому змінитися на одиниці і навіть десятки атмосфер. Ці значення іноді малі в порівнянні з гідростатичним тиском стовпа бурового рас-твора, однак і вони можуть вплинути, особливо тоді, ко-ли гідростатичний і пластовий (внутріпорового) тиску близькі по зна-ню, що характерно для сучасної технології буріння свердловин.
Таким чином, негативним наслідком інтенсифікації про- мивкі свердловини може стати збільшення диференціального тиску на вибої свердловини і, як наслідок, погіршення умов руйнування породи на вибої свердловини.
Один з основних факторів, що впливають на ефективність роботи по-родоразрушающего інструменту на забої свердловини, - якість очищення забою від уламків породи циркулює буровим розчином (під якост-ством очищення забою будемо розуміти швидкість змиву і кількість змиваються частинок шламу. Як правило, буріння (особливо турбінне) здійснюється в умовах недосконалої очищення вибою свердловини. через зашламленності забою зуби породоразрушающего інструменту не мають безпосереднього контакту з поверхнею руйнується породи; осьова нагрів ЗКА з боку долота сприймається не тільки забоєм, а й шламо-вої подушкою. Ефективність впровадження зуба долота в забій свердловини істотно погіршується, швидкість проходки зменшується.
Виконані в Уфимском нафтовому інституті дослідження показу-ли, що навіть тонкий шар шламу на поверхні мармуру на 30 - 40% знижує передане на мармур зусилля з боку вдавлюють пуансона (зуба).
Лабораторними дослідженнями, виконаними фірмою «Ессо Про-дакшн» за допомогою мікродолот, встановлено, що механічна швидкість проходки найкращим чином корелюється з функцією числа Рейнольд-са. Наступні промислові дослідження, виконані фірмою «Їм-періел Ойл» в Канаді, підтвердили характер цієї залежності.
Вважається, що причиною тісної кореляції між механічною швидкістю проходки і числом Рейнольдса потоку бурового розчину під долотом служить те, що число Рейнольдса є показником товщини
прикордонного шару бурового розчину у забою. А сам прикордонний шар за-трудняет змив уламків породи з вибою.
При Re = 100 +1000 характерна ситуація, коли уламки породи уда-ляють вихорами, які утворюють рухомі зуби долота. При цьому прикордонний шар настільки великий, що при нерухомому долоті уламки породи з вибою потоком бурового розчину не змиваються. В цьому випадку механічна швидкість проходки не залежить від числа Рейнольдса.
У міру збільшення числа Рейнольдса від 103 до 105
вихрові потоки починають досягати забою. В результаті зменшення товщини прикордонно-го шару якість очищення забою від уламків породи поліпшується, і, як наслідок, збільшується механічна швидкість проходки. У цьому діапа-зоні чисел Рейнольдса темп збільшення механічної швидкості проходки найбільший.
При Re = 105-І0б інтенсивність росту механічної швидкості про- ходки як і раніше помітно знижується.
Нарешті, при Re> 10б досягається досконала очищення вибою, і ме-ханических швидкість проходки знову не залежить від числа Рейнольдса. Об-ломки породи з вибою видаляються відразу ж після їх утворення і не по-падають повторно під зуби долота. Тому подальше збільшення числа Рейнольдса не сприяє помітному збільшенню механічної швидкості проходки за рахунок поліпшення якості очищення забою. Однак це не виключним видом-чає подальшого підвищення ефективності роботи долота шляхом збіль-чення осьового навантаження і частоти його обертання, швидкості витікання буро-вого розчину з насадок долота і т.д.
Для практичного застосування результатів описаних досліджень і експериментів пропонується використовувати поняття індексу механічної швидкості проходки (ІМС), який пов'язують з числом Рейнольдса сле-дмуть емпіричними залежностями: при Re <1900 ИМС = 0,04; при 1900 ≤ Re ≤ 5104
ÈÌÑ = 0,001 Re0,45; ïðè 5-Ю4 ≤ Re ≤ 5105 ÈÌÑ = = 0,01 Re0,27; ïðè Re> 5105 ÈÌÑ = 0,32.
Індекс механічної швидкості проходки відображає лише вплив властивостей бурового розчину і режиму циркуляції в поддолотной зоні на якість очищення забою від вибуренной породи, але він не враховує ефект розмиву вибою гідромоніторної струменем. Для переходу через цей показу-тель ІМС до абсолютним значенням механічної швидкості проходки НЕ-обходимо знати для даних конкретних умов значення механічної швидкості і відповідне йому значення ІМС:
де Vmx і у "д - відповідно шукана і відома механічна швидкість проходки; (ІМС) Х, (ІМС) А - індекси механічної швидкості проходки відповідно для ГР і у "д.
Розрахунки показують, що при інших рівних умовах ІМС вище при меншій кількості насадок на долоті. Це підтверджено результатами промисло-слів експериментів: закупорювали в період довбання одну-дві насадки долота, і при цьому механічна швидкість проходки ніколи не зменшує шум при роботі-лась, а часто, навпаки, збільшувалася.
Таким чином, режим течії бурового розчину під долотом може істотно вплинути на показники роботи долота, так як служить визна-ділячи фактором в ступеня очищення забою від шламу.
З вітчизняної і зарубіжної практики буріння свердловин відомо, що в міру збільшення швидкості витікання бурового розчину з отвер-стій долота руйнування забою долотом інтенсифікується. Це обумовлюються лено, з одного боку, збільшенням кількості що подається до забою про-мивочной рідини, а з іншого - збільшенням кінетичної енергії струменя, бомбардуючої поверхні забою. Механічна швидкість проходки тісно корелюється з гідравлічною потужністю, спрацьовує на долоті, і зі швидкістю струменя бурового розчину в насадках долота: зі збільшенням цих параметрів механічна швидкість проходки увеличива-ється.
Промислово-експериментальні роботи (ВНІІБТ) при бурінні ро-раторних способом дозволили встановити, що зі збільшенням швидкості исте-чення струменя з насадок гідромоніторних доліт від 56 до 111 - 127 м / с при практично незмінній продуктивності циркуляції бурового рас-твора досягалося збільшення механічної швидкості проходки майже в 2 рази. Встановлено, що зі збільшенням перепаду тиску на насадках до-лота від 2,0 до 10,5 МПа при продуктивності циркуляції 20 - 26 л / с механічна швидкість проходки зростала в 2 - 3 рази. Причому найбільш інтенсивне зростання механічної швидкості проходки відзначався в диапазо-ні перепадів тисків на насадках 3,0 - 8,0 МПа. При перепаді на насад-ках більше 9,0 МПа залежність механічної швидкості проходки від швидкості витікання бурового розчину з насадок долота помітно слабшала.
На підставі виконаних робіт в Ставропіллі зроблені практично важливі висновки про роль швидкості витікання струменя з насадок гідромоні-раторних доліт в процесі руйнування порід на вибої: при збільшенні швидкості витікання від 40 -70 до 100-110 м / с при бурінні в м'яких породах можна підвищити механічну швидкість проходки на 50-100% і рейс-ву швидкість буріння - на 10 - 60%; в породах середньої твердості в цьому випадку можна досягти збільшення механічної швидкості проходки на 30-80%.
На ефективність розмиву породи гідромоніторної струменем значи-тельно впливає гідростатичний тиск: зі збільшенням його ефективність розмиву вибою струменем знижується. Але якщо з технологічної точки зору позитивна роль високошвидкісний струменя в руйнуванні породи долотом очевидна, то доцільність застосування гідромоніторних до-лот при бурінні в різних геологічних умовах визначається насамперед міцності разбуріваемих порід.
Експериментальним шляхом встановлено (Б.В. Байдюк, Р.В. Винярский), що при дії гідромоніторної струменя на забій свердловини можуть на-спостерігатися три приватних ефекту, в сукупності визначають роль струменя в руйнуванні забою.
Перший - ефект змиву з забою сколених частинок породи (шламової подушки). Як було зазначено вище, він визначається не стільки силою удару струменя об забій, скільки режимом течії промивної рідини в піддамся-лотной зоні. Другий полягає у виїмці недоразрушенной породи і в руйнуванні перемичок між лунками, що утворилися під зубами до-лота. Третій полягає в безпосередньому руйнуванні струменем мате-ринських породи.
Згідно з дослідженнями Н.А. Колесникова, А.К. Рахімова і інших виявляється четвертий ефект впливу гідромоніторної струменя. З збіль-личением швидкості взаємодії струменя з забоєм проникних гірських
порід зростає інтенсивність змиву глинистої кірки, що обумовлює зростання тиску на глибині руйнування і знижує напруги в скелеті породи. В результаті полегшуються умови і ефективність руйнування гірських порід.
Приватні гідромоніторного ефекти залежать від відповідного со-четанія твердості і проникності породи. При цьому сумарний гідро-моніторний ефект для однієї і тієї ж породи не є монотонною залежністю від питомої тиску струменя на забій, а являє собою змінюють один одного ділянки посилення і ослаблення ефекту, а значення питомого тиску, що відповідають цим ділянкам, залежать від твердості і сплошности породи.
Отже, вдосконалення гідравлічної програми промивання сква-жін - важливий резерв підвищення швидкостей буріння, особливо в м'яких і середніх породах, при використанні гідромоніторних доліт.
Після встановлення впливу різних показників технологічного процесу промивання на швидкості буріння свердловин з'являється можливість сформулювати основні вимоги до бурових розчинів, які ви-тека з необхідності забезпечення в процесі буріння мінімального диференціального тиску на вибої, мінімальної товщини фильтраци-Онно-шламової подушки на забої, досконалої очищення забою від уламків зруйнованої долотом породи, максимальної сили удару об забій струменя бу-рового розчину, що випливає з насадок долота.
З позицій досягнення найкращих показників роботи доліт і пови-шення швидкостей буріння свердловин до бурових розчинів можна пред-вить наступні основні вимоги:
1) рідка основа бурових розчинів повинна бути маловязкой і мати
низьке значення поверхневого натягу на кордоні з гірськими поро-
дами;
2) у твердій фазі бурового розчину концентрація глинистих частинок
повинна бути мінімальною, а середньозважене за обсягом значення пліт-
ності твердої фази - максимальним;
3) бурові розчини повинні бути недіспергирующего під впливом
змінюються термодинамічних умов в свердловинах. Вони повинні
мати стабільні показники технологічних властивостей;
4) бурові розчини повинні бути хімічно нейтральними по відно
шению до разбуріваемая породам, не викликати їх диспергування і на-
гупання;
5) бурові розчини не повинні бути багатокомпонентними система-
ми, а використовувані для регулювання їх властивостей хімічні реаген-
ти, наповнювачі та добавки повинні забезпечувати спрямоване зраді
ня кожного технологічного показника при незмінних інших показу-
телях;
6) бажано, щоб бурові розчини в своєму складі мали не ме
неї 10% змащувальних добавок, а також містили газоподібну фазу.
Природно, ці загальні вимоги не є догмою, а їх виконан-ня багато в чому залежить від геолого-технічних умов буріння. Однак вони дозволяють вибрати саме той розчин, який не тільки виключить ускладнення і аварії в свердловині, а й забезпечить високі швидкості її бу-ренію. У кожному конкретному випадку необхідно вирішувати комплексну за-дачу щодо доцільності застосування того чи іншого розчину з урахуванням технічної озброєності бурової установки, оперативності постачання
її матеріалами, кваліфікації працівників, географічного положення свердловини і т.д.
Виконання на практиці сформульованих загальних вимог до бу-ровому розчину необхідно, але недостатньо для вибору бурового рас-твора з метою забезпечити збереження проникності продуктивного го-горизонтів. Критерії вибору дещо інші. Безумовно, тільки реалізація найбільш повного комплексу запропонованих заходів дозволить досягти помітного підвищення ефективності буріння свердловин. Використання лише деяких заходів навряд чи дозволить досягти стабільного тих-технологічного та економічного ефекту.