Главная: Статьи: Статьи /архив/: Статья 19

Статья 19. О поиске оптимальных нагрузок на долото при бурении забойными двигателями

Сопоставление гидравлической нагрузки на опору забойного двигателя с осевой нагрузкой на долото позволяет оптимизировать режим бурения по данным ГТИ.

Оптимальная отработка долот является одной из задач геолого-технологических исследований ГТИ и включает следующие подзадачи:

• оперативный поиск оптимальных нагрузок W_опт;
• определение оптимального времени смены долот.

Настоящая статья посвящена поиску W_опт в условиях турбинного способа бурения.

Бурение осуществляется по рациональному или нерациональному режиму, который запроектирован заранее и не зависит от службы ГТИ.

Рациональный режим характеризуется правильным выбором типа и секционности турбобура и типа долота с учетом свойств горных пород и особенностей геологического разреза. Указаны технологически обоснованные расходы промывочной жидкости с учетом характеристики турбины, конструкции осевой опоры двигателя и моментоемкости бурения. Ориентировочно даны пределы изменения нагрузок на долото и диаметры насадок для максимальной реализации гидромониторного эффекта.

Поскольку при турбинном бурении любые изменения режимных параметров – нагрузки на долото и частоты его вращения – возможны только в пределах линии моментов М–n двигателя, очевидна определяющая роль этой линии. Как было показано [1-3], положение линии М–n определяется не только характеристикой турбины, но и моментоемкостью бурения и соотношением гидравлической нагрузки «сверху-вниз» от перепадов давления в турбине и долоте с осевой нагрузкой на долото W.

При нерациональных режимах параметры устанавливаются произвольно, без строгого учета взаимовлияния, которое характерно для турбинного бурения.

Однако при любом бурении – рациональном или нерациональном – существуют свои оптимальные нагрузки, обеспечивающие максимальные показатели работы долот, причем поиск их осуществляется одинаково. В условиях бурения забойными двигателями, имеющими осевые опоры, производится поиск критического значения нагрузки на долото, при котором наблюдаются резонансные явления. При этой нагрузке бурение сопровождается сильной вибрацией инструмента, и данный режим является наиболее неблагоприятным и разрушительным для долота. Однако вблизи этой нагрузки находится оптимальная нагрузка W_опт, обеспечивающая максимальную механическую скорость бурения и проходку на долото. Этот «парадоксальный» способ хорошо известен опытным бурильщикам, которые в определенных условиях (при разбуривании прочных пород на сравнительно небольших глубинах) оперативно и надежно находят W_опт.

Сущность способа состоит в том, что при равенстве гидравлической нагрузки с осевой нагрузкой на долото, происходит полная разгрузка опоры двигателя и возникает вибрация. Этот режим бурения наиболее опасен для долота, так как приводит к ускоренному разрушению. Однако небольшой уход от этой нагрузки (на 1-2 т) совпадает с зонами W_опт. Вибрации исчезают, а потери вращающего момента в опоре не велики. На рис. 1 показаны линии моментов турбобура (линия 2) и его турбины (линия 1). Линия 2 наглядно иллюстрирует способ поиска W_опт. Критическая точка С соответствует полной разгрузке опоры, а заштрихованная часть – зона повышенной вибрации. Эту зону найти легче, чем W_опт. В этом и состоит сущность поиска W_опт. Обычно от точки С осуществляется уход к точке А – W_опт1 посредством небольшого увеличения нагрузки. Для устойчивой работы долота необходим «запас» вращающего момента DМ, величина которого достаточно велика (для турбобуров диаметром 195 мм и долот 215,9 мм DМ – не менее 300 Нм). Объясняется это тем, что момент инерции вращающихся масс деталей двигателя и долота мал по сравнению с моментоемкостью бурения. Как следствие, трудноконтролируемые и вполне вероятные изменения М способны за десятые и даже сотые доли секунды [3] изменить частоту вращения от разгона n_р до полного торможения двигателя.

Рис. 1. Линии моментов М-n турбины 1 и турбобура 2:

С – критическая точка (вибрация инструмента);
А – граница первой оптимальной нагрузки W_опт1;
В – граница второй оптимальной нагрузки W_опт2;
n_р – разгонная частота вращения;
n_х –частота холостого вращения турбины;
DМ – «запас» момента для устойчивой работы долота.

В случае неустойчивой работы долота производится небольшое снижение нагрузки в зону W_опт2. Отработка долот в зонах линии моментов левее точки А и правее точки В – нерациональна: в первом случае из-за неустойчивой работы долота и изменений частоты вращения в широком диапазоне, во втором - из-за малых нагрузок на долото и высокой частоты вращения n, при котором среднее значение близко к частоте холостого хода n_р. Промысловые наблюдения показывают, что именно в этих зонах осуществляется отработка долот, причем наиболее часто в обеих нерациональных зонах, включая прохождение критической точки С. Указанное неизбежно при редких подачах инструмента и больших разгрузках веса на крюке.

Хорошо известны преимущества бурения при высоких нагрузках на долото, но в пределах допустимого W_доп, особенно для долот с вставными зубками. Поэтому одна из задач проектирования оптимальной отработки долот состоит в том, чтобы гидравлическая нагрузка W_г, фактическая нагрузка W_опт и допустимая W_доп были примерно равны. Однако в реальных условиях бурения редко устанавливается такой режим. Как правило, гидравлическая нагрузка не контролируется.

Рассмотрим возможные варианты отработки долот и действия оператора ГТИ по корректировке режима бурения.

1. Бурение осуществляется при нагрузке W, которая меньше допустимых W_доп для применяемого типа долота. Попытки увеличить W приводят к неустойчивой работе двигателя, очевиден недостаток вращающего момента. В этом случае необходимо рекомендовать увеличение расхода бурового раствора Q.

2. Бурение осуществляется при нагрузке, которая равна допустимой и двигатель работает устойчиво, однако эта нагрузка существенно (более 3-4 т) превышает гидравлическую. Необходимо рекомендовать на очередном долблении уменьшить суммарную площадь истечения насадок долота. Реализация этой рекомендации улучшит отработку долот не только за счет гидромониторного эффекта, но и «улучшения» линии моментов М–n двигателя: увеличения М и уменьшения частоты холостого вращения долота n_р.

3. Бурение осуществляется при W = W_доп, но гидравлическая нагрузка больше нагрузки на долото. Этот вариант проявляется при чрезмерном «увлечении» гидромониторным эффектом и переоценкой его значения. При очень больших W_г двигатель, как правило, плохо запускается в работу и оператор ГТИ должен рекомендовать увеличить диаметр насадок.

Для решения указанных выше вопросов корректировки режимов бурения оператор ГТИ должен контролировать величину гидравлической нагрузки W_г по графикам, общий вид которых показан на рис. 2 и 3. Что касается оптимальных нагрузок, то при бурении на больших глубинах сравнительно малопрочных пород рука не всегда способна уловить вибрацию от полной разгрузки опоры двигателя - необходим приборный контроль вибрации.

Рис. 2. Гидравлическая нагрузка на осевую опору турбобура от перепада давления в турбине: 1, 2, 3 – турбины.

Нередко по виду кривой разгрузки веса на крюке при заторможенном вале лебедки пытаются найти W_опт, полагая, что темп разгрузки соответствует мгновенной механической скорости бурения [4]. Типичный вид диаграммы веса на крюке показан на рис. 4. Наблюдаются две области разгрузки:

• при больших нагрузках, характеризуется медленной разгрузкой и большой скоростью углубления долота;

• при малых нагрузках, полная противоположность.

Такой вид диаграммы объясняется тем, что бурильная колонна не является пружиной с жесткой характеристикой «нагрузка-деформация». Вполне очевидно, что при малых нагрузках колонна устойчива и мало реагирует на ее величину, а при больших сжимающих нагрузках теряет устойчивость и сильно сокращается ее длина за счет изгиба колонны.

Рис. 3. Гидравлическая нагрузка на осевую опору турбобура от перепада давления в насадках долота при различных расходах Q.

Исследования зависимости механической скорости от нагрузки на долото W, выполненные при турбинном бурении в Западной Сибири, однозначно свидетельствуют о интенсивном росте скорости по мере увеличения W вплоть до остановки двигателя из-за его торможения.

Оптимальная отработка долота осуществляется в зоне I (рис. 4), если при этом не пересекается критическая точка С полной разгрузки осевой опоры.

Рис. 4. Вид диаграммы изменений W:
I – зона высоких нагрузок;
II – зона малых нагрузок.

Выводы

1. По оперативной оценке гидравлической нагрузки на опору двигателя от перепадов давления в турбине и долоте и сопоставлении ее с осевой нагрузкой на долото имеется возможность корректировать режим бурения в рамках контроля ГТИ.

2. Для оперативного поиска оптимальной нагрузки на долото в информационно-измерительный комплекс ГТИ должно быть дополнительно включено измерение вибрации инструмента, так как другие параметры для решения этой задачи малоинформативны.

Литература

1. Временное руководство по технологии турбинного бурения в Среднем Приобье. Тюмень: СибНИИНП. 1975.
2. Струговец Е. Т., Рамазанов Е. Н., Биишев А. Г. Исследование линии моментов турбобуров ЗТСШ-195 и ТР2Ш-195. Бурение скважин в Тюменской области // Труды СибНИИНП. Тюмень. 1975. Вып. 2 .
3. Григорьев П. Н. Струговец Е. Т. О минимально возможной скорости вращения долота и устойчивости его работы при бурении турбобуром ЗТСШ-195ТЛ. Бурение скважин в Тюменской области // Труды СибНИИНП. Тюмень. 1975. Вып. 2.
4. Геолого-технологические исследования в процессе бурения // РД 39-0147716-102-87. 1987. С. 196-197.

НТВ "Каротажник". 2005. Вып. 5-6, с. 107-113

Статьи по теме:

• Современные технологии и технические средства для информационного обеспечения процесса бурения скважин

Словарь терминов: ГТИ

Copyright © 2000-2009    ООО "Геотехсервис"
Последняя модификация: октября 07, 2008  geotekhservist@mail.ru