Средняя механическая скорость бурения формула. Расчет скоростей бурения и других технико-экономических показателей (ТЭП) при нормативном режиме строительства скважины

В настоящее время в практике бурения геологоразведочных скважин преобладает бурение снарядами со съемным керноприемником – ССК. При бурении снарядами ССК выделяется два комплекса операций (по времени и по углубке) - это "рейс" от спуска и до подъема всего бурового снаряда (включая все вспомогательные операции) и так называемый "цикл " от спуска до извлечения керноприемника без подъема бурильных труб

Употребление термина "цикл" для операции бурения от спуска керноприемника до заполнения керном и подъемом керноприемника вызывает определенное затруднение, связанное с тем, что термин "цикл" уже закреплен в словарях, в виде термина «цикловая скорость».

На наш взгляд, термин "цикл" следует оставить за временем сооружения скважины («цикловая скорость»), а для интервала бурения снарядом со съемным керноприемником, связанным с наполнением и подъемом керноприемника придумать другой термин, например, «керноприемный рейс ». Для интервала от спуска до подъема всего снаряда применять термин «полный рейс »,

При бурении снарядами ССК измерение и оценка рейсовой скорости бурения усложняется по сравнению с бурением простыми снарядами. При определении полной рейсовой скорости (или рейсовой скорости полного рейса), вспомогательное время будет складываться из общего вспомогательного времени, связанного со спуском и подъемом всего бурового снаряда, включая все вспомогательные работы – Твсп, и суммы времени на вспомогательные работы, связанные со спуском и подъемом керноприемника во всех керноприемных рейсах -Σ tвсп . Время бурения полного рейса равно сумме затрат времени на бурение в керноприемных рейсах (затратами времени на перекрепление можно пренебречь, а время на наращивание относится к вспомогательному времени керноприемного рейса), т.е.Σt бур. -время на бурение в полном рейсе; Σt всп – время на вспомогательные операции во всех керноприемных рейсах.

Тогда Vр = где Hр =Σ hкпр.

Для одновременного измерения и регистрации пяти параметров бурения: полной рейсовой (1) и керноприемной рейсовой скоростей (2), а также текущей механической скорости бурения (3) и полной (с начала полного рейса) (4) и текущей проходки в каждом керноприемном рейсе (5), может быть использован простой прибор с использованием одного датчика текущей проходки на принципе лазерного дальномера. Например, может использоваться лазерный дальномер типа Leica DISTO D8, который имеет технологию беспроводной связи, встроенный Bluetooth, позволяющий передавать полученную информацию сразу на компьютер, где переданная информация подвергается обработке в составленной программе деления измеряемой проходки на соответствующие интервалы времени и затем распечатывается на ленте самописца. Эффективность использования такого прибора будет только при условии непрерывной регистрации всех указанных пяти параметров и их графического изображения для всего полного рейса.

Примерный график регистрации всех пяти параметров эффективности полного рейса при бурении снарядом ССК приведен на рисунке, рис.69.

Рис. 69

График регистрации параметров эффективности полного рейса бурения ССК.

Эффективность измерения, регистрации и анализа величины рейсовой скорости бурения снарядами ССК можно увидеть на примере оценки прироста рейсовой скорости при увеличении углубки за керноприемный рейс. При бурении отечественными снарядами КССК -76 углубка за керноприемный рейс может быть 3, 4,5 и 6 метров, снарядами ССК – 1.7, 3,2 и 4,7 метров. При использовании зарубежных снарядов фирмы Longyear при бурении глубоких скважин углубка за керноприемный рейс обычно составляет 3 метра. Современные станки с подвижным вращателем для высокооборотного алмазного бурения имеют подвижный вращатель с проходным зажимным патроном, позволяющим наращивать бурильные трубы через верх. При этом длина наращиваемой трубы может быть больше чем ход вращателя (ход обычно до– 3,25 метра), т.е. может быть использована бурильная труба длиной 6 метров (или свеча из двух труб по 3 метра). Следовательно, можно сравнивать эффективность бурения при использовании керноприемных и бурильных труб длиной три и шесть метров.

Для такого приблизительного сравнения примем:

Геологические условия стабильные, без осложнений;

Проходка на алмазную коронку и углубка за полный рейс – 90 метров;

Механическая скорость бурения – 6 м/час;

Вспомогательное время полного рейса – 4 часа;

Вспомогательное время керноприемного рейса – 0,6 часа;

h кпр = 3 метра – 30;

Число керноприемных рейсов при h кпр =6 метров – 15.

Vр 3 = м/чVр 6 = м/ч

Отношение Vр 6 /Vр 3 = 1,83, т.е. при увеличении проходки за кернопремный рейс с 3 до 6 метров при бурении снарядами ССК рейсовая скорость и, следовательно, производительность вырастет в 1.8 раза. При использовании регистрирующего прибора это отношение может быть увидено в деталях при сравнении соответствующих диаграмм для оптимизации процесса бурения.

скорость бурения в м/станко-месяц (V коммерческая);

коэффициент интенсивного использования буровых станков (К И)

Коэффициент экстенсивного использования буровых установок (К Э)

коэффициент занятости буровых бригад (К З).

Скорости бурения

1). Коммерческая скорость (в метрах на станко/месяц) определяется отношением

количества пробуренных метров к календарному времени бурения, включающее непроизводительное время (организационные простои, ликвидации аварий)

v к = Н х 720 (30)

Т кал

Где: Т кал. - календарное время бурения

Н - количество пробуренных метров (проходка)

Коммерческая скорость бурения применяется в определении:

а) сметной стоимости бурения;

б) производительности труда;

в) объема работ;

г) числа буровых бригад;

д) потребности МТС;

2). Механическая скорость бурения - количество метров бурения за 1 час работы долота на забое;

V м =_ Н_

t мех

t мех - время механического бурения (час)

Величина механической скорости от крепости и условий залегания проходимых пород, совершенство оборудования и рабочего инструмента, применяемых режимов бурения.

3). Рейсовая скорость бурения - количество метров проходки ствола скважины, осуществляемой за один час рейса инструмента, т.е. времени работы долота на забое, спуске и подъеме инструмента

V р =__ Н_______ ,

t мех + t сп + t пвр

где: t сп - время на спускоподъемные операции;

Рейсовая скорость характеризует технический уровень и темп работы буровой бригады, а также эффективность основных работ по проходке скважины.

4). Техническая скорость бурения выражает темп процесса бурения скважины, охватывающего весь комплекс технологически необходимых работ.

Техническая скорость бурения определяется отношением проходки в метрах ко времени технически необходимых работ по бурению, т.е. производительному времени бурения, выраженных в станко-месяцах

V т = Н х 720 (30 дней) ,

где: t п - производительное время бурения; t n = t мех + t сп + t к + t пвр + t ор ,

где: t к - время крепления скважины,

t пвр - время подготовительно-вспомогательных работ на один рейс инструмента (час)

t ор - время ликвидации осложнений и ремонтных работ.

5). Цикловая скорость строительства скважины определяется средней проходкой за время вышкомонтажных работ бурения, крепления и испытания скважины, характеризует совместное действие бригад.

V ц = Н х 720(30 дней) ,

где: t Ц - время строительства скважины; t Ц = t сп + t пвр + t мд + t кб + t и ,

где: t сп - время спускоподъемные операции;

t пвр - время подготовительно-вспомогательных работ на один рейс инструмента (час);

t мд - время монтажных и демонтажных работ;

t кб - время крепления и бурения скважины;

t и - время испытания скважины на прирост нефти и газа.

Коэффициент экстенсивного использования буровых установок К Э характеризует полноту использования мощности оборудования (станка) во времени и определяется по формуле:

К Э = Т б + Т и +Т п ,

Где: Т б - время бурения станко-месяц;

Т и - время испытания, станко-месяц;

Т п - подготовительное время, станко-месяц;

Т Ц - время цикла строительства скважины.

Коэффициент занятости буровых бригад определяется по формуле:

К Зан = Т n + Т б + Т и

Т кал.

Где: Т n - подготовительное время, станко-месяц.

Коэффициент интенсивного использования буровых установок К И

К И = V ком ____

V ком. ma x.

Где: V ком. ma x. - максимальная коммерческая скорость бурения (м./ст-мес.), (техническая или нормативная)

Основным документом, определяющим производственную программу УБР (бурения) является план-график строительства скважин, он составляется по целям и способам бурения (разведка и эксплуатация) на год, квартал и месяц, окончание работ на одной скважине является началом работ на другой. Последовательность его составления следующая:

переходящие скважины - по ним определяют окончание бурения;

сроки вышкомонтажных работ;

сроки начала и конца бурения скважин в планируемый период;

определение даты начала бурения скважин, строительство которых не будет закончено.

Все скважины, включенные в план-график, планируют по целям и способам бурения и группируют по площадям.

В результате составления плана-графика строительство скважин определяется основными показателями по месяцам.

Каждой бригаде устанавливается количество эксплуатируемых и разведочных скважин, а также годовой проход в метрах.

Темпы работ по бурению скважин.

Различают С. б. :

цикловую;

коммерческую;

техническую;

механическую;

рейсовую.

Цикловая - показатель, характеризующий темпы работ по строительству скважин:

v ц = H/S ц ; S ц = (Т м + Т п + Т б + Т и )/720, где v ц - цикловая С. б. , м/ст.-мес.; H - объем проходки, м; S ц - цикл строительства скважины, ст.-мес.; Т м , Т п , Т б , Т и - календарное время соответственно монтажа оборудования, подготовительных работ к бурению, бурения и испытания, ч.

Коммерческая - количество метров проходки на один станко-месяц бурения.

Этот показатель используется при планировании объемов буровых работ, финансировании, анализе хозяйственной деятельности, нормировании.

Техническая - величина проходки скважин в единицу производительного месяца (станко-месяц производительного времени).

Характеризует темпы технологически необходимых работ по бурению и отражает технические возможности бурового оборудования и инструмента.

Механическая - показатель, характеризующий темпы разрушения горной породы в забое скважины.

Выражается в метрах проходки за 1 час работы долота на забое (механического бурения). Используется для оценки эффективности внедрения новых долот, забойных двигателей, режимов бурения, промывочных жидкостей.

Рейсовая - характеризует производительность буровой техники и труда буровых рабочих:

v = H/(t м + t с-п ), где H - проходка, м; t м - время механического бурения, ч; t с-п - время спуско-подъемных операций, ч.

Скважина

Горная выработка цилиндрической формы глубиной более 5 м и диаметром более 75 мм, пройденная в горной породе или полезном ископаемом механическими или немеханическими способами бурения.

Скважины по их назначению в зависимости от стадий геологоразведочных работ и освоения месторождений подразделяются на следующие категории и группы (внутри категорий):

Метрологические

Опорные :

• первая группа;

  вторая группа.

Параметрические

Структурные

Поисковые

Разведочные

Тестовые

Эксплуатационные :

• оценочные;

  эксплуатационные;

  нагнетательные;

  наблюдательные.

Специальные :

• для сбора промысловых вод;

  для ликвидации открытых фонтанов нефти и газа;

  для водоснабжения и т. д.

В основе выделения категорий скважин преобладает признак, определяющий общую задачу, выполняемую на той или иной стадии геологоразведочных работ или разработки месторождения. Исключением является категория специальных скважин, необходимость бурения которых может возникнуть на любой стадии.

Подразделение скважин на группы подчинено главным образом функциональному назначению отдельных скважин, в совокупности обеспечивающих решение общей задачи.

В практике используются классификации по другим признакам:

по последовательности ввода скважин в бурение - на независимые, зависимые и опережающие;

по достигнутым результатам - на выполнившие или не выполнившие свое назначение, продуктивные (разной дебитности), непродуктивные и практически «сухие» и т. д.

Скважина метрологическая -скважина, в которой осуществляется метрологический контроль скважинной геофизической аппаратуры.

Скважина опорная -предназначена для изучения геологического строения, гидрогеологических и геохимических особенностей крупных геоструктурных элементов, для определения общих закономерностей распространения комплексов отложений, благоприятных для нефтегазообразования и нефтегазонакопления, с целью количественной оценки нефтегазоносности и выбора наиболее перспективных направлений поисковых работ.

Бурение С. о. является составной частью комплекса региональных исследований. Они закладываются в благоприятных структурных условиях и бурятся до фундамента, а в областях его глубокого залегания - до технически доступных глубин. В этих скважинах проводят комплекс геолого-геофизических исследований, предусмотренный «Инструкцией по проводке опорных скважин и камеральной обработка материалов опорного бурения».

В зависимости от геологической изученности региона и сложности решаемых задач С. о. подразделяются на две группы:

Скважины, которые закладывают в не исследованных глубоким бурением районах с целью изучения всего разреза осадочного чехла, а также установления возраста и вещественного состава фундамента.

Скважины, закладываемые с целью уточнения геологического строения, перспектив нефтегазоносности района и повышения эффективности геологоразведочных работ при изучении нижней части разреза осадочного чехла, ранее не вскрытой бурением.

Скважина параметрическая - бурится для изучения геологического строения и сравнительной оценки перспектив нефтегазоносности возможных зон нефтегазонакопления и для получения геолого-геофизической характеристики разреза отложений, уточняющей результаты и повышающей достоверность сейсмических и др. геофизических работ.

На основе комплексного анализа результатов параметрического бурения и материалов геолого-геофизических исследований выявляют первоочередные районы для проведения поисковых работ.

С. п. имеют особое значение при решении региональных и поисковых задач в сложных геологических условиях (большие мощности и глубины, литофациальная неоднородность, тектоническая нарушенность разреза и т. д.), как в пределах крупных структурно-фациальных зон, так и на локальных участках, где данные геофизических работ являются недостаточно достоверными или интерпретируются неоднозначно.

Задачи, комплекс исследований в скважинах, вопросы организации работ, проектно-сметная документация на строительство, научную обработку и обобщение материалов регламентируются «Инструкцией по проводке и научной обработке материалов параметрических скважин».

Скважина структурная -предназначена в основном для выявления и подготовки к поисково-разведочному бурению перспективных площадей, характеризующихся наличием локальных структур и ловушек, где решение геолого-поисковых задач геофизическими методами затруднительно, малоэффективно или экономически нецелесообразно.

При изучении структур и ловушек с целью их детального картирования С. с. бурят до маркирующих горизонтов (как правило, на глубину до 2000 м).

В сложных геологических условиях бурение С. с. осуществляется чаще всего в комплексе с геофизическими методами; бурение дополняет их с целью уточнения деталей строения площади: прослеживание нарушений, выявление перерывов в разрезе, установление возраста слагающих его пород, получение данных о физических параметрах пород, привязка верхних опорных горизонтов, расшифровка др. структурно-параметрических особенностей.

Отдельные С. с. , вскрывающие в процессе подготовки площадей верхние перспективные или нефтегазоносные комплексы, выполняют структурно-поисковые задачи по оценке нефтегазоносности разреза.

На глубинах больше 2000 м, а также в условиях несоответствия структурных планов картирование структур с помощью бурения С. с. является неэффективным.

Скважина поисковая -предназначена для поисков новых месторождений на перспективных площадях, подготовленных детальными работами к поисковому бурению, и для поисков новых залежей в пределах ранее открытых или разрабатываемых месторождений.

К этой категории относятся скважины, бурение которых начато до получения первого промышленного притока: из данного горизонта на новой перспективной площади; из аналогичного горизонта, расположенного в обособленном тектоническом блоке структуры с доказанной промышленной нефтегазоносностыо; из нового горизонта в пределах известного месторождения. Бурением С. п. решаются задачи, предусмотренные для одноименной стадии работ геологоразведочного процесса.

Скважина разведочная -предназначается для изучения месторождений и залежей с целью подготовки разведанных запасов нефти и газа по категории С 1 и получения исходных данных для составления проекта (технологической схемы) разработки.

С. р. бурят на площадях с установленной промышленной нефтегазоносностыо, а также на месторождениях, введенных в эксплуатацию. Задачи, выполняемые каждой скважиной, определяются стадийностью геологоразведочных работ и степенью разведанности изучаемого месторождения или залежи.

При анализе результатов и методики разведочных работ среди С. р. принято выделять продуктивные и непродуктивные, законтурные и внутриконтурные, оконтуривающие, оценочные и др. группы скважин по назначению, положению на площади, продуктивности и др. признакам.

Скважина тестовая -скважина, в которой выполняется наиболее полный комплекс исследовательских работ, по результатам которых формируется тестовый массив.

С. т. выбирается таким образом, чтобы наиболее представительно характеризовать исследуемую территорию.

Скважина эксплуатационная - предназначена для разработки и эксплуатации месторождений и залежей нефти и газа.

оценочные- уточнение границ обособленных продуктивных полей и оценка выработанности отдельных участков для уточнения рациональной разработки залежей;

собственно эксплуатационные (добывающие) - извлечение (добыча) нефти и газа, включая сопутствующие компоненты;

нагнетательные- воздействие на эксплуатационный объект путем закачки воды, газа, воздуха или др. агентов;

наблюдательные (контрольные, пьезометрические) - контроль за разработкой путем систематического наблюдения за изменением пластового давления, продвижением водонефтяного, газоводяного и газонефтяного контактов в процессе эксплуатации залежи.

Скважина специальная -предназначена для вспомогательных работ, выполнение которых обеспечивает нормальную технологию геологоразведочного процесса и разработки нефтяных и газовых месторождений (сброс промысловых вод, ликвидация открытых фонтанов нефти и газа, водоснабжение основного производства, подземное хранение газа и др.).

В цикл строительства скважины входят:

1) подготовительные работы;

2) монтаж вышки и оборудования;

4) процесс бурения;

5) крепление скважины обсадными трубами и ее тампонаж;

6) вскрытие пласта и испытание на приток нефти и газа.

В ходе подготовительных работ выбирают место для буровой, прокладывают подъездную дорогу, подводят системы электроснабжения, водоснабжения и связи. Если рельеф местности неровный, то планируют площадку.

Монтаж вышки и оборудования производится в соответствии с принятой для данных конкретных условий схемой их размещения. Оборудование стараются разместить так, чтобы обеспечить безопасность в работе, удобство в обслуживании, низкую стоимость строительно-монтажных работ и компактность в расположении всех элементов буровой.

Различают следующие методы монтажа буровых установок : поагрегатный, мелкоблочный и крупноблочный.

При поагрегатном методе буровая установка собирается из отдельных агрегатов, для доставки которых используется автомобильный, железнодорожный или воздушный транспорт.

При мелкоблочном методе буровая установка собирается из 16...20 мелких блоков. Каждый из них представляет собой основание, на котором смонтированы один или несколько узлов установки.

При крупноблочном методе установка монтируется из 2...4 блоков, каждый из которых объединяет несколько агрегатов и узлов буровой.

Подготовка к бурению включает устройство направления и пробный пуск буровой установки.

В ходе пробного бурения проверяется работоспособность всех элементов и узлов буровой установки.

Процесс бурения начинают, привинтив первоначально к ведущей трубе квадратного сечения долото. Вращая ротор, передают через ведущую трубу вращение долоту.

Во время бурения происходит непрерывный спуск (подача) бурильного инструмента таким образом, чтобы часть веса его нижней части передавалась на долото для обеспечения эффективного разрушения породы.

В процессе бурения скважина постепенно углубляется. После того как ведущая труба вся уйдет в скважину, необходимо нарастить колонну бурильных труб. Наращивание выполняется следующим образом. Сначала останавливают промывку. Далее бурильный инструмент поднимают из скважины настолько, чтобы ведущая труба полностью вышла из ротора. При помощи пневматического клинового захвата инструмент подвешивают на роторе. Далее ведущую трубу отвинчивают от колонны бурильных труб и вместе с вертлюгом спускают в шурф - слегка наклонную скважину глубиной 15... 16 м, располагаемую в углу буровой.

После этого крюк отсоединяют от вертлюга, подвешивают на крюке очередную, заранее подготовленную трубу, соединяют ее с колонной бурильных труб, подвешенной на роторе, снимают колонну с ротора, опускают ее в скважину и вновь подвешивают на роторе. Подъемный крюк снова соединяют с вертлюгом и поднимают его с ведущей трубой из шурфа. Ведущую трубу соединяют с колонной бурильных труб, снимают последнюю с ротора, включают буровой насос и осторожно доводят долото до забоя. После этого бурение продолжают.

В ходе работы на забое скважины долото изнашивается. Когда дальнейшая работа его становится малоэффективной, долото поднимают из скважины, заменяют новым, после чего бурильный инструмент вновь спускают в скважину.

При бурении на нефть и газ порода разрушается буровыми долотами, а забой скважин обычно очищается от выбуренной породы потоками непрерывно циркулирующей промывочной жидкости (бурового раствора), реже производится продувка забоя газообразным рабочим агентом.

Целью тампонажа затрубного пространства обсадных колонн является разобщение продуктивных пластов.

Хотя в процессе бурения продуктивные пласты уже были вскрыты, их изолировали обсадными трубами и тампонированием, чтобы проникновение нефти и газа не мешало дальнейшему бурению. После завершения проходки для обеспечения притока нефти и газа продуктивные пласты вскрывают вторично.

Для этого обсадную колонну и цементный камень перфорируют .

В настоящее время, в основном, используют перфораторы двух типов: стреляющие (торпедного и пулевого типов) и гидроабразивного действия.

После перфорации скважину осваивают , т.е вызывают приток в нее нефти и газа.

Для этого уменьшают давление бурового раствора на забой одним из следующих способов:

1) промывка - это замена бурового раствора, заполняющего ствол скважины после бурения, более легкой жидкостью - водой или нефтью;

2) поршневание (свабирование) - это снижение уровня жидкости в скважине путем спуска в насосно-компрессорные трубы (НКТ) и подъема на стальном канате специального поршня (сваба). Поршень имеет клапан, который открывается при спуске и пропускает через себя жидкость, заполняющую НКТ. При подъеме же клапан закрывается, и весь столб жидкости, находящийся над поршнем, выносится на поверхность.

От использовавшихся прежде способов уменьшения давления бурового раствора на забой, продавливания сжатым газом и аэрации (насыщения раствора газом) в настоящее время отказались по соображениям безопасности.

Устье скважины оснащено колонной головкой (колонная обвязка). Колонная головка предназначена для разобщения межколонных пространств и контроля за давлением в них. Ее устанавливают на резьбе или посредством сварки на кондукторе. Промежуточные и эксплуатационные колонны подвешивают на клиньях или муфте.

Основные технические характеристики колонных головок отражены в их шифрах.

Начало бурения скважины — момент первого спуска буриль-ной колонны для проходки, а окончание бурения — момент окон-чания выброса бурильных труб на мостки после промывки сква-жины и испытания колонны на герметичность.

Для определения продолжительности наиболее трудоемкого этапа — бурения скважины — составляется баланс календарного времени.

Баланс календарного времени включает в себя следую-щие элементы:

1. Производительное время бурения t пр , в том числе :

Время на проходку — t м — механическое бурение, t сп — спуско-подъемные работы;

Время на подготовительно-вспомогательные работы (смена до-лота, приготовление глинистого раствора и т.д.) t пвр;

Время на крепление скважины (спуск обсадной колонны и ее цементирование) t кр.

t пр = t м + t сп + t пвр + t кр

2. Время на ремонтные работы (проведение профилактики обо-рудования, устранение неисправностей, возникающих в период бурения и крепления скважины) t рем.

3. Время на ликвидацию осложнений, возникающих в стволе скважины по геологическим причинам, t ос.

4. Непроизводительное время t H , включающее в себя :

Время на ликвидацию аварий t а;

Потери времени из-за простоев по организационно-техничес-ким причинам t п.

Баланс календарного времени бурения и крепления имеет сле-дующий вид:

Т б.к = t м + t сп + t пвр + t кр + t рем + t ос + t а + t п

Баланс календарного времени и его отдельные элементы слу-жат основой определения различных скоростей бурения, опреде-ляющих темпы строительства скважины.

Техническая скорость бурения (v Т) определяется проходкой за 1 мес производительных работ буровой установки (м/ст.-мес):

где Н п — общая проходка (плановая или фактическая) за опреде-ленный период времени (глубина скважины), м;

720 — продол-жительность 1 ст. - мес бурения, ч.

Показатель технической скорости используется для сравнитель-ной оценки эффективности новой техники, различных способов бурения.

Коммерческая скорость бурения определяется проходкой за 1 мес работы буровой установки (м/ст.-мес):

На величину коммерческой скорости влияют факторы технико-технологического и организационного характера. Повышение v K требует сокращения и ликвидации непроизводительного време-ни, уменьшения абсолютных затрат производительного времени путем ускорения проведения операций. Это может быть достигну-то на основе совершенствования буровой техники и технологии, механизации трудоемких операций, улучшении организации про-изводства.

Цикловая скорость строительства скважины (м/ст. - мес) оп-ределяется проходкой за время цикла сооружения скважины:

где Т ц — время цикла сооружения скважины, ч.

Цикловая скорость характеризует технический и организацион-ный уровни буровых работ, отражает эффективность совместного действия бригад, участвующих в цикле сооружения скважины (выш-комонтажных буровых бригад и бригад по испытанию скважин).

Эффективность бурения зависит от комплекса факторов: осевой нагрузки на долото, частоты вращения долота, расхода бурового раствора и параметров качества бурового раствора, типа долота, геологических условий, механических свойств горных пород.

Выделяют параметры режима бурения , которые можно изменять с пульта бурильщика в процессе работы долота на забое, и факторы, установленные на стадии проектирования строительства скважины, отдельные из которых нельзя оперативно изменять. Первые называются управляемыми. Определённое сочетание их, при котором осуществляется механическое бурение скважины, называется режимом бурения .

Режим бурения, обеспечивающий получение наилучших показателей при данных условиях бурения , называется оптимальным. Иногда в процессе бурения приходится решать и специальные задачи – проводка скважины через поглощаюшие пласты, обеспечение минимального искривления скважины, максимального выхода керна, качественного вскрытия продуктивных пластов. Режимы бурения , при которых решаются такие задачи, называются специальными. Каждый параметр режима бурения влияет на эффективность разрушения горных пород, причём влияние одного параметра зависти от уровня другого, то есть наблюдается взаимовлияние факторов.

Выделяют следующие основные показатели эффективности бурения нефтяных и газовых скважин: проходка на долото, механическая и рейсовая скорости бурения .

Проходка на долото Hд (м) очень важный показатель, определяющий расход долот на бурение скважины и потребность в них по площади и УБР в целом, число СПО, изнашивание подъемного оборудования , трудоемкость бурения , возможность некоторых осложнений. Проходка на долото в большей мере зависит от абразивности пород, стойкости долот, правильности их подбора, режимов бурения и критериев отработки долот.

Механическая скорость (Vм):

Vм = Hд / Тм

где Hд - проходка на долото, м; Тм - продолжительность механического разрушения горных пород на забое или время проходки интервалов, ч.

Таким образом, Vм - средняя скорость углубления забоя. Она может быть определена по отдельному долоту, отдельному интервалу, всей скважине Lс, по УБР и т.д.:

Vм = Lс / Тм

Выделяют текущую (мгновенную) механическую скорость:

Vм = dh / dt

При известных свойствах горных пород механическая скорость характеризует эффективность разрушения их, правильность подбора и отработки долот, способа бурения и режимных параметров, величину подведенной на забой мощности и ее использование. Если в одинаковых породах и интервалах одной скважины скорость ниже, чем в другой, надо улучшать режим. Изменение текущей механической скорости связано с изнашиванием долота, чередованием пород по твердости, изменением режимных параметров в процессе отработки долота, свидетельствует о целесообразности подъема долота.

Рейсовая скорость

Vр = Hд / (Тм + Тсп)

где Hд - проходка на долото, м; Тм – продолжительность работы долота на забое, ч;

Тсп – продолжительность спуска и подъема долота, наращивания инструмента, ч.

Рейсовая скорость определяет темп углубления скважины, она показывает, что темп проходки ствола зависит не только от отработки долота, но и от объема и скорости выполнения СПО. Если долго работать изношенным долотом или поднимать долото преждевременно, то Vр снижается. Долото, поднятое при достижении максимума рейсовой скорости, обеспечивает наиболее быструю проходку ствола.

Средняя рейсовая скорость по скважине выражается:

Vр = Lс / (Тм + Тсп)

5.1. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА ПОКАЗАТЕЛИ БУРЕНИЯ

5.1.1. ВЛИЯНИЕ ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ

Разрушение горной породы на забое механическим способом невозможна без создания осевой нагрузки на долото. На рис. 5.1. показана зависимость механической скорости бурения Vм от осевой нагрузки G на трёхшарошечное долото при проходке мягких (кривая 1), средней твёрдости (кривая 2), твёрдых (кривая 3) и крепких (кривая 4) пород при неизменной низкой (до 60 об/мин) частоте вращения и достаточной промывке за короткий промежуток времени, когда изнашиванием долота можно пренебречь.

Как видно из рисунка, механическая скорость непрерывно возрастает с увеличением осевой нагрузки, но темп её роста для мягких пород более быстрый, так как больше глубина погружения зубьев при одинаковой нагрузке. На стенде, и в промысловых условиях наблюдается изменение темпа роста Vм от G при переходе от разрушения пород истиранием при небольшой осевой нагрузке к разрушению пород в усталостной и объёмной областях при больших

Если скорость вращения долота неизменна и обеспечивается достаточная чистота забоя, величина углубления за один оборот dу возрастает с увеличением удельной осевой нагрузки Руд так, как это показано на рис. 5.2. (кривая ОАВС). При весьма малой нагрузке напряжение на площадке контакта зуба шарошки с породой меньше предела усталости последней; поэтому при вдавливании происходит лишь упругая деформация породы (участок ОА). Разрушение же породы в этой зоне, которую обычно называют областью поверхностного разрушения, может происходить путём истирания и, возможно, микроскалывания шероховатостей поверхности при проскальзывании зубка.

Если нагрузка более высокая (участок АВ), то давление на площадки контакта зубка с забоем превышает предел усталости, но меньше предела прочности породы. Поэтому при первом ударе зубка по данной площадке происходит деформация породы, возможно, образуются начальные микротрещины, но разрушения ещё не происходит. При повторных ударах зубков по той же площадке начальные микротрещины развиваются вглубь до тех пор, пока при очередном ударе не произойдёт выкол.

Чем больше действующая на зубок сила, тем меньше ударов требуется для разрушения. Эту зону называют областью объёмно – усталостного разрушения.

При более высоких нагрузках разрушение породы происходит при каждом ударе зубка. Поэтому участок правее точки В называют областью эффективного объёмного разрушения породы.

В области ОА углубление за один оборот dу мало и возрастает очень медленно, пропорционально удельной нагрузке на долото Руд. Под удельной нагрузкой понимают отношение нагрузки на долото G к его диаметру. В области усталостного разрушения углубление растет быстрее увеличения удельной нагрузки и зависимость между ними имеет степенной характер. В области эффективного объёмного разрушения породы углубление за один оборот быстро возрастает – примерно пропорционально удельной нагрузке (или несколько быстрее), если обеспечена достаточная очистка забоя.

Характер зависимости между углублением за один оборот долота dу и удельной нагрузкой Руд существенно изменяется, как только очистка забоя становится недостаточной и на нём скапливаются ранее сколотые частицы, которые не успели переместиться в наддолотную зону. Такие частицы дополнительно измельчаются при новых ударах зубков шарошек по забою. Поэтому с ухудшением очистки забоя прирост углубления за один оборот долота с увеличением удельной нагрузки будет уменьшаться.

Так, согласно кривой ОАВДЕ, полученной при бурении с секундным расходом промывочной жидкости Q1, углубление за 1 оборот быстро возрастает, до тех пор, пока удельная нагрузка не превышает Р111уд. При нагрузках выше Р111уд прирост углубления сначала замедляется, а затем (правее точки F) углубление за один оборот уменьшается из-за ухудшения очистки забоя. В случае же увеличения секундного расхода до Q2 влияние ухудшения очистки забоя становится заметным при более высокой удельной нагрузке (правее точки G на кривой АВGH).

5.1.2. ВЛИЯНИЕ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ДОЛОТА

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

При малой частоте вращения долота промежуток времени, в течение которого остаётся раскрытой трещина в породе, образующаяся при вдавливании зубка, достаточен для того, чтобы в эту трещину проник фильтрат бурового раствора (или сам раствор). Давления на частицу сверху и снизу практически сравниваются и трещина не может сомкнуться после отрыва зубка от породы. В этом случае отрыв сколотой частицы от забоя и её удаление облегчаются. При увеличении же частоты вращения уменьшается промежуток времени, в течение которого трещина раскрыта, и фильтрат может заполнять её. Если же этот промежуток станет весьма малым, фильтрат в трещину не успеет проникнуть, трещина после отрыва зубка шарошки от породы сомкнётся, а прижимающая сила и фильтрационная корка будут удерживать частицу, препятствовать её удалению с забоя. Поэтому на забое сохраниться слой сколотых, но не удалённых частиц, которые будут повторно размалываться зубцами долота.

Поскольку из-за неполноты очистки забоя величина углубления за один оборот долота dу с увеличением частоты вращения (угловой скорости w) уменьшается, то механическая скорость Vом будет возрастать пропорционально частоте вращения долота в степени меньшей единицы (рис. 5.3.).

5.1.3. ВЛИЯНИЕ РАСХОДА БУРОВОГО РАСТВОРА

Непрерывная циркуляция бурового раствора при бурении должна обеспечивать чистоту ствола скважины и забоя, охлаждение долота, способствовать эффективному разрушению породы, предупреждать осложнения. Влияние расхода раствора на механическую скорость бурения показано на рис. 5.4. Как видно из рисунка, при неизменной осевой нагрузке и частоте вращения долота с увеличением секундного расхода бурового раствора улучшается очистка забоя и возрастает механическая скорость проходки. Однако увеличение секундного раствора эффективно лишь пока он не достигнет некоторой величины Qд, при Qмах механическая скорость проходки стабилизируется. Величина Qд зависит от конструкции долота, схемы очистки забоя, удельной осевой нагрузки, частоты вращения, твёрдости породы и свойств бурового раствора.

При дальнейшем возрастании расхода начнёт преобладать повышение потерь напора на преодоление гидравлических сопротивлений в кольцевом пространстве, общее давление на забой начнёт расти и механическая скорость будет снижаться.

5.1.4. ВЛИЯНИЕ СВОЙСТВ БУРОВОГО РАСТВОРА

На механическую скорость бурения влияют плотность, вязкость, фильтрация, содержание песка и ряд других параметров бурового раствора. Наиболее существенно оказывает влияние плотность бурового раствора. Это влияние объясняется в основном повышением гидростатического давления на забой и ростом перепада давления между скважиной и разбуриваемым пластом, в результате чего ухудшаются условия образования трещин, выкалываемые частицы прижимаются к массиву. Поэтому наиболее значительно влияние r в области объёмного разрушения породы, а при бурении в области поверхностного разрушения и истирания оно незначительно.

С понижением плотности в большей мере проявляется эффект неравномерного всестороннего сжатия, облегчающего разрушение пород.

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

5.2. ОСОБЕННОСТИ РЕЖИМОВ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ .

Увеличение осевой нагрузки и частоты вращения, повышение плотности, вязкости и концентрации твёрдых частиц, снижение расхода ниже Qд, а также теплоёмкости, теплопроводности и смазывающих свойств буровых растворов, неравномерная (рывками) подача долота, продольные и поперечные колебания низа бурильной колонны, высокая температура на забое – всё это сокращает производительное время пребывания долота на забое. Однако конечная цель – не увеличение продолжительности пребывания долота на забое, а получение большей проходки на долото за возможно более короткое время. Поэтому если изменение какого-то параметра обуславливает сокращение продолжительности работы долота на забое, но одновременно увеличивается механическая скорость и повышается проходка на долото, то оно целесообразно.

Так как параметры режима бурения взаимосвязаны, то наибольшая эффективность бурения достигается лишь при оптимальном сочетании этих параметров, зависящем от физико-механических свойств породы, конструкции долота, глубины залегания разбуриваемой породы и других факторов. Увеличение одного из параметров режима, например, осевой нагрузки, способствует повышению эффективности бурения лишь до тех пор, пока он не достигнет оптимального значения при данном сочетании других параметров. Увеличение рассматриваемого параметра выше этого оптимального значения может способствовать дальнейшему повышению эффективности бурения только в том случае, если одновременно будут изменены все или некоторые другие параметры (например, увеличен расход промывочной жидкости, уменьшена частота вращения).

Измененному сочетанию других параметров режима соответствует новое оптимальное значение рассматриваемого. Изменение параметров режима возможно лишь в определённых пределах, которые зависят от прочности долота, особенностей способа бурения , технических параметров буровой установки и ряда других факторов.

Регулировать расход бурового раствора можно тремя способами: заменой втулок одного диаметра в цилиндрах бурового насоса на втулки другого диаметра, изменением числа одновременно параллельно работающих буровых насосов, изменением числа двойных ходов поршней в насосе. При первых двух способах расход раствора можно изменять только ступенчато, при третьем возможно также плавное изменение. Второй из названных выше способов применяют, как правило, в случае изменения диаметра долота: при бурении верхнего участка скважины долотами большого диаметра используют два одновременно работающих насоса. При переходе к бурению следующего участка долотами меньшего диаметра один из насосов часто отключают. Менять втулки можно только в неработающем насосе. Поэтому в большинстве случаев расход жидкости в период работы долота на забое остаётся практически неизменным. Если продолжительность рейса велика (несколько десятков часов), расход к концу рейса может несколько уменьшиться вследствие возрастания утечек в насосе, обусловленного износом поршней.

Гидравлическую мощность на забое можно регулировать изменением либо расхода бурового раствора, либо диаметра гидромониторных насадок в долоте, либо числа таких насадок. Очевидно, диаметр насадок можно изменить только при подготовке нового долота к спуску в скважину. Число же работающих насадок можно уменьшить так же в период работы долота на забое, если в поток жидкости в бурильных трубах сбросить шар соответствующего диаметра, он перекроет входное отверстие в одной из насадок и выключит её из работы. При этом скорости струй и перепад давлений в оставшихся работающих насадках возрастут, и соответственно увеличится гидравлическая мощность на забое. Такой способ регулирования гидравлической мощности на забое можно использовать тогда, когда рабочее давление в насосах меньше предельно допустимого при данном диаметре втулок в них.