Правильное использование трехконусных сверл
Как литология пласта влияет на отказы долота. Литология пласта влияет на эффективность бурения множеством способов: она влияет на скорость проходки и длину проходного отрезка, может вызывать сложные проблемы бурения, такие как потеря циркуляции, выбросы, обрушение скважины и застревание бурильной колонны, изменяет поведение бурового раствора и влияет на качество ствола скважины (отклонение ствола и неравномерность диаметра), что, в свою очередь, влияет на качество цементирования. Анализ литологии и ее поведения при бурении имеет важное значение для выбора подходящего долота и оценки целесообразности его использования.
Глины, аргиллиты и сланцы: эти породы легко впитывают свободную воду из бурового раствора и набухают, уменьшая диаметр скважины и создавая сопротивление проходке, что может привести к застреванию бурильной колонны. Длительное замачивание также может вызвать осыпание и расширение скважины, что приводит к обрушению. По возможности используйте пресную воду или буровой раствор низкой плотности и вязкости. Углеродистые сланцы обладают слабой когезией и склонны к обрушению. Мягкие, богатые глиной породы бурятся быстро, но подвержены застреванию бурильного долота.
Песчаники: Свойства песчаников сильно зависят от размера зерен, минерального состава и типа цемента. Более мелкие зерна, более высокое содержание кварца и кремнеземистый или богатый железом цемент делают породу тверже и абразивнее, увеличивая износ долота (например, кварцевый песчаник). Большее количество глинистого цемента, слюды или полевого шпата делает породу мягче и облегчает бурение. Более крупные зерна и плохое цементирование увеличивают проницаемость и повышают риск потери жидкости; на стенках может образоваться толстый фильтрующий слой, вызывающий липкость и проблемы с залипанием, что приводит к ненормальной работе долота.
Конгломераты: Бурение в конгломератах часто приводит к подпрыгиванию долота, вибрации и разрушению стенок скважины. При низкой скорости закачки или недостаточной вязкости бурового раствора частицы размером с гравий с трудом возвращаются на поверхность; крупные обломки бурового шлама могут повредить конусы и зубья долота.
Известняки: как правило, твердые, с медленной проходимостью и ограниченной длиной бурового раствора. Во многих известняках образуются трещины, пустоты и полости; столкновение с ними может привести к заклиниванию долота, размыванию, нарушению циркуляции и иногда к выбросам или прорывам. Известняк сильно влияет на проходимость, механическую скорость и износ долота. Чередование твердых и мягких пластов (например, аргиллит, перемежающийся с твердым песчаником) и сильно наклоненные формации увеличивают вероятность отклонения скважины; повреждение долота более вероятно при бурении сильно наклоненных скважин. Растворимые солевые слои (гипс, галит и т. д.) могут ухудшать свойства бурового раствора и снижать нормальную производительность долота.
Параметры бурения и их влияние. Ключевыми контролируемыми параметрами бурения являются нагрузка на долото (WOB), скорость вращения (RPM) и скорость циркуляции бурового раствора. Эти параметры следует выбирать, исходя из условий пласта, типа долота, возможностей буровой установки и квалификации оператора. Параметры бурения обычно классифицируются следующим образом:
Оптимизированные параметры бурения: те, которые обеспечивают наилучший экономический результат в данных условиях.
Агрессивные (или улучшенные) параметры бурения: значения выше обычных для достижения большей скорости проходки.
Специальные методы бурения: специфические методы или наборы параметров с ограничениями, используемые для достижения конкретных целей.
Для разных параметров бурения требуются разные типы долот; долота выходят из строя по разным механизмам в разных условиях бурения и должны обрабатываться соответствующим образом.
2.1 Влияние нагрузки на долото (ННД) ННД является необходимым условием для разрушения породы на забое долота. Величина ННД определяет режим и характеристики разрушения породы и напрямую влияет на скорость проходки и износ долота. Под воздействием осевой нагрузки и вращающего момента режущие зубья изнашиваются, затупляются или выходят из строя, вдавливаясь в породу и срезая ее, что, очевидно, влияет на проходку. С увеличением ННД проходка, как правило, увеличивается, но подшипники и режущие зубья изнашиваются быстрее, что, в свою очередь, влияет на проходку. Взаимосвязь между ННД и проходкой изменяется в три различных этапа:
Стадия поверхностного разрушения: Когда нагрузка на режущую кромку меньше твердости породы при вдавливании, режущие зубья не могут проникать в породу, а лишь истирают ее поверхность. Износ высок, а проникновение низкое, хотя проникновение пропорционально увеличивается с увеличением нагрузки на режущую кромку.
Стадия усталостного разрушения: когда сила натяжения зубьев приближается к твердости породы при вдавливании, многократное воздействие зубьев приводит к образованию множества поверхностных трещин, и происходит прогрессирующее разрушение даже без полного проникновения.
Стадия объемного разрушения: Когда сила осевой нагрузки превышает твердость породы при вдавливании, зубья проникают в породу и вызывают объемное разрушение; бурение становится эффективным, и это является нормальным режимом бурения. Следовательно, приложенная сила осевой нагрузки должна быть достаточной, чтобы позволить зубьям проникнуть в породу и вызвать объемное разрушение.
В ходе испытаний на трехконусных буровых долотах удвоение осевой нагрузки показало, что разные породы реагируют по-разному: породы средней твердости (классы 6–7) демонстрируют наибольшее увеличение скорости проходки; более мягкие (классы 4–5) и более твердые (классы 8–9) породы показывают меньшее увеличение. Бурение вязких мягких пород может вызывать образование грязевых мостиков и застревание долота, поэтому осевая нагрузка должна быть относительно низкой. В сильно абразивных породах недостаточная осевая нагрузка приводит к преждевременному износу долота, поэтому ее следует соответствующим образом увеличить. При работе с трещиноватыми породами часто наблюдается отскок долота, и осевую нагрузку следует уменьшить, чтобы избежать поломки или отслаивания зубьев. Таким образом, осевая нагрузка является критически важным параметром, который должен обеспечивать баланс между достаточной проходкой зубьев и минимизацией их износа.
2.2 Влияние скорости вращения (об/мин) Скорость вращения измеряет, как быстро вращается буровое долото заданного диаметра. Поскольку поведение породы при разрушении и влияние нагрузки на буровой вал зависят от твердости породы, при расчете влияния скорости вращения на разрушение породы и механическое проникновение необходимо учитывать литологию и время разрушения породы.
Частота вращения в мягких породах: В мягких, высокопластичных породах с низкой абразивностью (например, глинистых пластах) толщина стружки равна глубине проникновения зуба, и износ зуба минимален. При постоянной осевой нагрузке частота вращения и скорость механического проникновения увеличиваются примерно пропорционально.
Частота вращения в среднетвердых и твердых породах: В этих породах твердость при вдавливании и абразивность выше; зубья быстрее затупляются, площадь контакта увеличивается, а время распространения трещин и деформации увеличивается. Проникновение замедляется, и требуется более высокая нагрузка на зубья. Увеличение частоты вращения в твердых породах может увеличить время разрушения породы за один оборот, поэтому чрезмерная частота вращения может предотвратить полное разрушение до того, как зубья отсоединятся, снижая эффективное проникновение и ускоряя износ. Поэтому частоту вращения не следует чрезмерно увеличивать в среднетвердых или твердых породах.
Различия в частоте вращения (об/мин) между типами горных пород: Каждый тип горных пород имеет характерную кривую отклика и предельное значение частоты вращения. В глинах скорость проникновения увеличивается пропорционально частоте вращения; в твердых, высокоабразивных породах проникновение увеличивается медленнее с частотой вращения из-за большего времени разрушения породы и более низкого предельного значения частоты вращения — превышение этого предела может фактически снизить проникновение.
Результаты испытаний, проведенных при удвоении частоты вращения трехконусных буровых долот, показывают, что для породы 4-го класса (например, мрамора) скорость проникновения увеличилась примерно на 93%, в то время как для порфиритового гранита 9-го класса увеличение составило всего около 28%. При переходе от породы 4-го к породе 9-го класса увеличение скорости проникновения с увеличением частоты вращения уменьшается по кривой. Таким образом, увеличение частоты вращения благоприятно сказывается на мягких, малоабразивных породах, но дает ограниченные преимущества в твердых, высокоабразивных породах.
