Скачать:  lektsia_9.zip [60,14 Kb] (cкачиваний: 27)  

Лекция. Оптимизация режимов бурения. Критерии эффективности режима бурения.

Для сокращения затрат на строительство скважин необходимы оптимизация как выбора породоразрушающих инструментов, так и режима их работы.

При принятии решения об оптимальности варианта породоразрушающего инструмента и режима его работы используются экстремальные значения показателей работы долота.

Критерии оптимизации:

Н (проходка на долото) → max

V_м (механическая скорость) → max

V_р(рейсовая скорость) → max

C (стоимость) → min

Наибольший вес имеют V_р → max, С → min. Практика бурения предполагает комплексное применение этих критериев.

1)V_р → max и С ≤ С_n , где С_n – плановая стоимость 1 м. проходки, обеспечивающая затраты на бурение в пределах сметы.

2)С → min при V_р ≥ V_{р. n} , где V_{р. n} – плановая рейсовая скорость, обеспечивающая строительство скважины в установленные сроки.

На сегодняшний день пользуются типовой методикой ВИШБТ при сопоставлении новых и применяемых (базовых) вариантов долот и режимов их работы.

При принятии решения проводятся параллельные испытания вариантов, сравнение по критерию С → min, далее оценка статистической значимости различия вариантов одним из вариантов статистики.

Чаще применяются статистический метод сравнения средних арифметических значений сопоставляемых вариационных рядов с использованием t – критерия Стьюдента.

В качестве примера рассмотрим испытание нового типа долота, не применяемого ранее на разбуриваемом месторождении.

1) В интервале предстоящих испытаний по ранее пробуренным скважинам делается случайная выборка первичных показателей бурения 10-12 долотами.

2) Составляется вариационный ряд на основании выборки первичных значений.

3) Вариационный ряд переписывают в порядке возрастания его значений:

С1≤ С2≤ С3≤…≤С… ≤С _n-2 ≤ С _n-1≤ С_n , где n – число членов вариационного ряда

4) Проверяют вариационный ряд на малую вероятность по формулам в соответствии с таблицей.

Таблица

Расчет параметров распределения крайних значений ряда

По формулам 1 строки определяются , из предположения, что маловероятным может быть по два крайних значения вариационного ряда.

По формулам 2 строки – из предположения, что маловероятными может быть наибольшее и наименьшее значение ряда, но при этом Х₁, также может быть маловероятным.

По формулам 3 строки - из предположения, что маловероятными может быть также наибольшее и наименьшее значение ряда, но без дополнительных условий.

5) Определение Критерия , для решения о вариационном ряде.

расчетные значения и сравниваются с критериями , которые зависят от числа членов ряда и вероятности (надежности) оценки.

Критерии при надежности оценки 0,95

При числе n≥30 проверку на малую вероятность можно не проводить.

Проводимые значения имеют малую вероятность и вычеркиваются из ряда, если <img width="23" height="24" src="file:///C:\Users\KK\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image030.gif" v:shapes="_x0000_i1038" />>и <img width="23" height="24" src="file:///C:\Users\KK\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image032.gif" v:shapes="_x0000_i1040" />>соответственно.

Например: если в первой строке для пары : <img width="23" height="24" src="file:///C:\Users\KK\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image030.gif" v:shapes="_x0000_i1043" />>, то исключаются как маловероятные, то дальнейшая проверка не имеет смысла.

Аналогично для пары и , если <img width="23" height="24" src="file:///C:\Users\KK\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image032.gif" v:shapes="_x0000_i1048" />>: в противном случае следует продолжить расчет по формулам второй строки, и если ≤, а также для случая ≤, то продолжить растет по формулам третьей строки.

6) Определяется среднее арифметическое значение:

,

7) среднее квадратичное отклонение:

, где n - число оставшихся в ряду членов.

8) Определяется число долот для испытаний:

,где - параметр нормального распределения вероятностей при принятой надежности оценки. Рекомендуется Р = 0,95, тогда = 1,95;

Δ – допустимая относительная ошибка. Рекомендуется Δ= 0,2÷0,4.

После испытаний составляются 2 вариационных ряда для испытанных и базовых долот и проводят аналогичную обработку обоих рядов, а затем сравнивают ср. арифметическое значения этих рядов.

Сравнениеи сводят к статистической проверке гипотезы о том, что математическое ожидание разности этих показателей равно 0 , т.е.

.

Для определения параметра распределения этой разности рассчитывается ее ср. квадратичное отклонение по формуле:

,

Тогда параметр распределения разности

В пакете прикладных программ Microsoft Excel модно производить вычисления.

Вычисленное сравнивается с табличным критическим значением параметра распределения Стьюдента t(P, к) при принятой надежности Р и числе степеней свободы к:

к=n_б + n_и-2

Еслиt_би ≤ t (Р, к), то проверяемая гипотеза применяется, если нет – отвергается.

В 1 случае различие между С_и и С_в статистически незначимо, а во втором - статистически значимо.

После обработки результатов могут возникнуть ситуации:

1)С_и<С_б, причем различие статистически незначимо, это положительный результат испытаний ,

2)С_и≤С_били С_и≥С_б, различие статистически незначимо, предлагаемый вариант не имеет преимуществ перед базовым.

3)С_и≥С_б, причем различие статистически незначимо, это отрицательный результат испытаний.

Аналогично сравнивают конкурирующее долото или конкурирующие режимы работы донного долота при выборе оптимального варианта по данным бурения опорно-технологических скважин или по данным предшествующего бурения.

2.4. Режим бурения и показатели работы долот

Эффективность бурения горных пород при бурении скважины зависит от комплекса факторов: осевой нагрузки на долото G, частоты вращения n, расхода промывочной жидкости Q и параметров бурового раствора r, Т, В (плотность, вязкость, водоотдача), типа долота, геологических условий и механических свойств горных пород.

Выделяются параметры режима бурения (G, Q, r, Т, В), которые можно изменять в процессе бурения и факторы, заложенные в стадии проектирования скважины, не поддающиеся оперативному изменению.

Определенное сочетание управляемых факторов, при которых ведется бурение, называется режимом бурения.

Режимы бурения, при которых решаются задачи проводки скважины в поглощающих пластах, бурение с минимальным искривлением, отбор керна, качественное вскрытие продуктивных пластов, называются специальными.

Все параметры режима бурения взаимосвязаны. Изменение одного из них влечет и изменение всех остальных.

Рассмотрим влияние параметров режима бурения на процесс проводки скважины.

2.4.1. Осевая нагрузка

Для разрушения горной породы необходимо создавать нагрузку на долото. На графике (рис.4) показана зависимость механической скорости бурения м/ч от нагрузки на долото.

На графике (рис.3) показаны четыре кривые: 1 - бурение в мягких породах, 2 - в породах средней твердости, 3 - в твердых породах, 4 - в крепких породах. Зависимость дана при постоянной частоте вращения (60 об/мин), достаточной промывке за короткий промежуток времени (когда изнашиванием долота можно пренебречь).

На графике видно, что с возрастанием осевой нагрузки увеличивается и механическая скорость бурения в различном темпе в зависимости от твердости горных пород.

Наблюдается также изменение темпа роста V_м от G при переходе от разрушения пород истиранием при небольшой нагрузке к разрушению пород в усталостной и объемной областях при большой нагрузке.

Механическую скорость разрушения удобнее представить в зависимости от отношения нагрузки Р_удк сопротивлению породы Р, при достижении первого скачка разрушения

,

, ,

где - площадь контакта зубьев с породой.

Эту величину очень сложно определить, т.к. она изменяется в процессе вдавливания зубцов в породы различной твердости и зависит от нагрузки на долото, частоты вращения, износа и количества зубцов, находящихся одновременно в контакте с породой.

Для упрощения задачи принимается средняя величина F_k за один оборот долота на начальной площади контакта не изношенных зубьев.

На графике , показано несколько областей.

Область I - при относительном удельном давлении 0 < Р₀< 0,6 горная порода разрушается в основном за счет поверхностного истирания, абразивного изнашивания, микровыкалывания, смятия и сдвига неровностей.

Эта область характерна для бурения очень твердых пород при недостаточной осевой нагрузке и больших площадях притупления зубцов и при бурении средних пород долотами ИСМ.

Область II - при 0,6 £ Р₀< 0,9 наблюдается усталостное разрушение пород. Для этой области характерно получение объемного выкола пород лишь через несколько ударов зубьев по одному и тому же участку породы.

Область III - это область объемного разрушения горных пород (при рассматриваемом низкооборотном бурении). Здесь Р₀> 0,9.</sub>

На основании изложенного можно сделать вывод, что для получения высоких механических скоростей бурения при качественной очистке забоя необходимо создавать максимальную нагрузку, которая ограничивается лишь прочностными характеристиками бурильной колонны и долота. Нужно также обеспечить необходимый крутящий момент. Однако, такой режим бурения требует учитывать такие факторы, как интенсивность изнашивания вооружения и опоры долота, максимальная проходка на долото, снижение частоты вращения и максимального расхода раствора. Анализ показывает, что такой режим бурения не всегда экономичен.

2.4.2. Частота вращения

С изменением частоты вращения долота меняется число поражений забоя зубьями шарошечного долота.

За единицу времени (1 мин.) число поражений можно определить по формуле

где - число шарошек;

- число зубьев на одной шарошке;

- частота вращения;

- диаметр долота;

- диаметр шарошки.

Если принять объем выкола равным , то получим объем разрушения породы за единицу времени.

За 1 мин ;

за 1 час .

Механическая скорость бурения составит ,

т.к. отношение представляет собой проходку за один оборот долота б.

Механическую скорость для долот всех типов можно выразить как , т.е. с ростом частоты вращения механическая скорость бурения увеличивается линейно при (рис.5) (кривая 2). Это характерно для бурения алмазными долотами твердых, хрупких пород.

За точкой В с дальнейшим ростом снижаются и б, и. Это объясняется тем, что с ростом уменьшается время контакта зубьев шарошки с породой, возрастает скорость удара, что несколько увеличивает сопротивление горных пород разрушению (увеличиваются затраты на холостое вращение долота).

Общее время контакта зуба шарошечного долота с породой (в сек) ,

где - число зубьев в свету.

Критическое значение находится в пределах 100-200 об/мин. При дальнейшем повышении частоты вращения темп роста механической скорости бурения снижается и, где - проходка за один оборот долота при < _кр; < 1.

Лекция № 6

2.4.3. Промывка скважины

Очистка ствола скважины от выбуренной породы осуществляется постоянно циркулирующим буровым раствором. С увеличением расхода промывочной жидкости механическая скорость бурения растет почти прямолинейно.

При достижении достаточного расхода Q_д механическая скорость еще может расти, но медленно (рис.6 от точки 1 до точки 2). Причины следующие: более качественная очистка забоя и долота, уменьшение содержания шлама в промывочной жидкости, лучшее охлаждение долота, уменьшение плотности раствора, а следовательно, и снижение давления на забой. А далее при росте Q возрастают гидравлические потери на преодоление сопротивлений давлений движению промывочной жидкости по кольцевому пространству, увеличивается общее давление на забой и, как следствие, уменьшается механическая скорость бурения. Есть такое понятие, как оптимальная производительность бурового раствора. Существует методика определения этой величины. И, как правило, именно эта величина расхода промывочной жидкости и используется при бурении скважины.

При бурении скважин гидравлическими забойными двигателями расход жидкости определяет их рабочую характеристику, что сказывается на изменении механической скорости, особенно при Q >Q_д. При бурении гидромониторным долотом с гидравлическими забойными двигателями существенное повышение расхода при установленной гидравлической мощности насосов приводит к снижению перепада давления на насадках и забойных двигателях и уменьшению их мощности и скорости истечения из насадок. Поэтому расход жидкости должен быть ограничен величиной Q_д.

На рис. 7 показана зависимость от величины Q и нагрузки на долото Р_о. Можно отметить три области.

I область : Q = Q_д, . В этой области степень х ³ 1. Это соответствует совершенной очистке забоя.

II область: Q = Q_д, , 1> х > 0 - не совершенная очистка.

III область Q << Q_д, , х < 0 -неудовлетворительная очистка.

На этом графике Q₁ <Q₂ <Q₃ .

Следует отметить, что при больших частотах вращения долота существенно изменяется и Q_д.

На основании этого можно сделать вывод, что наибольшим резервом повышения механической скорости является не безмерное увеличение расхода бурового раствора, совершенствование систем промывки долота.

2.5. Влияние состава и свойств промывочной жидкости на эффективность работы долота

Одной из причин снижения механической скорости бурения с увеличением глубины скважины является увеличение твердости пород.

На характер изменения скорости проходки с ростом гидростатического давления, кроме механических свойств горных пород, влияют и много других факторов.

Одним из факторов, существенно влияющих на механическую скорость бурения, являются параметры бурового раствора, такие как плотность, содержание твердой фазы, водоотдача, вязкость.

Влияние плотности на (особенно в области объемного разрушения) объясняется повышением гидростатического давления между скважиной и разбуриваемым пластом. При истирании породы это влияние незначительно. С понижением плотности проявляется эффект неравномерного всестороннего сжатия.

С ростом плотности для получения объемного разрушения необходимо повышать осевые нагрузки и наоборот (воздух, аэрированная жидкость).

Особенно резко падает механическая скорость проходки при увеличении разности между давлением промывочной жидкости и поровым давлением до 7-10 МПа. Отсюда следует вывод, что при бурении необходимо стремиться к поддержанию равновесия между поровым давлением в разбуриваемой породе и давлением столба промывочной жидкости путем регулировки ее плотности. Р_гр> Рпл.</sub>

При бурении с промывкой водой, нефтью уменьшается с ростом вязкости, т.к. в слое жидкости, непосредственно примыкающем к поверхности забоя, жидкость движется ламинарно. А уменьшение скорости затрудняет удаление с забоя частиц.

Чем выше проницаемость пород и больше водоотдача (фильтрация), меньше вязкость фильтрата, ниже частота вращения, больше продолжительность контакта, тем слабее влияние плотности раствора, т.к. давление на забое и глубине выкола успевает выравниваться.

С увеличением предельного динамического напряжения сдвига

глинистый раствор приходится уменьшать Q, что часто ведет к снижению ).

Лекция № 7

2.6. Влияние параметров режима бурения на работу долот

На работоспособность долота влияет различное сочетание параметров режима бурения, а на снижение долговечности долота - увеличение осевой нагрузки, частоты вращения, плотности и вязкости бурового раствора, а также большое содержание твердой фазы, вибрация бурового инструмента, продольное и поперечное колебания низа бурильной колонны и многое другое.

Основная цель при бурении - максимальное время работы долота за один рейс. В то же время, если изменение одного из параметров режима бурения ведет к повышению скорости бурения за минимальное время и увеличивается проходка на долото, то такое изменение целесообразно.

С увеличением осевой нагрузки повышается механическая скорость бурения, но более интенсивно изнашивается вооружение и опора шарошек долота. Текущую скорость бурения можно определить по формуле,

где - начальная механическая скорость;

- время с начала рейса;

- декремент падения скорости вследствие изнашивания.

Тогда проходка на долото может быть определена по формуле

т.е. чем выше и медленнее изнашивание долота, тем больше проходка.

Проходку можно определить и через параметры режима бурения

,

где ,

.

Здесь - средняя механическая скорость;

- продолжительность рейса;

- эмпирические коэффициенты;

- показатели степени.

Иначе .

Известно, что в 3-4 раза больше, чем. Следовательно, увеличение осевой нагрузки более эффективно, чем повышение частоты вращения, если нет ограничений по прочности всей бурильной колонны и крутящему моменту. Поэтому при повышении осевой нагрузки увеличивается проходка на долото. Однако частоту вращения необходимо подбирать в каждом конкретном случае.

Вследствие колебаний нагрузки интенсивно разрушается вооружение и опора шарошек долота, поэтому стремятся всячески глушить вибрацию различными амортизаторами.

При бурении турбобурами на его работоспособность отрицательно влияют колебания бурильной колонны, т.к. они имеют не высокий крутящий момент. При бурении в мягких породах даже незначительное изменение осевой нагрузки в области Р_г = Р_д ведет к существенному изменению момента и увеличению частоты вращения.

При тормозном режиме возможна остановка вала. В этом случае необходимо применять секционные турбобуры.

Такая зависимость механической скорости проходки и осевой нагрузки наблюдается при совершенной очистке забоя скважины. При недостаточной промывке темп роста механической скорости проходки с увеличением осевой нагрузки снижается, т.к. часть энергии, подводимой к долоту, затрачивается на дополнительное измельчение шлама.

При неизменной осевой нагрузке и скорости вращения механическая скорость бурения возрастает с увеличением расхода жидкости. Однако темп роста постепенно падает, т.е. улучшение очистки забоя скважины ведет к росту механической скорости бурения.

Увеличение механической скорости бурения при совершенной промывке при роторном бурении возрастает до 30-50%, а при бурении турбобуром с ГМД до 50% при скорости истечения соответственно 60-75 м/с и 95-105 м/с.