Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Экспериментальную проверку методики математического мо­делирования процесса бурения лучше всего выполнять путем сравнения результатов расчета механической скорости и крутя­щего момента с данными, полученными непосредственно в про­цессе глубокого бурения, поскольку только в этом случае функ­ционирует колонна бурильных труб в качестве динамического элемента системы. Однако в промысловых условиях весьма сложно получить надежные зависимости показатФдейыттроцесса бурения от параметров режима и других факторов. Поэтому с целью проверки этих зависимостей, полученных расчетным пу­тем, приходится прибегать к сравнению их также и со стендо­выми данными, многие из которых широко известны и опубли­кованы в литературе.

Для удобства проверки надежности расчетных характери­стик бурения приведем сначала некоторые результаты расчетов тех показателей бурового процесса, которые получаются непо­средственно путем математического моделирования без привле­чения каких-либо экспериментальных данных, за исключением тех, которые характеризуют свойства разбуриваемых пород. Та­ковыми являются, как было изложено выше, углубление зубцов долота в породу гтах, скорость проходки неизношенным доло­том v и крутящий момент Мср.

Для определения взаимосвязи между показателями эффек­тивности и параметрами режима необходимо пользоваться кон­кретными экспериментальными кривыми P(z). Поэтому иско­мые зависимости не могут быть получены в общем виде. Был использован метод математического эксперимента, в котором изменяли нагрузку на долото, скорость его вращения и прово­дили соответствующие расчеты для выбранных вариантов. гор­ных пород.

Расчеты углубления зубцов долота, крутящего момента и скорости бурения были проведены для следующих реальных пород: индианского известняка, мрамора «коелга» и черного среднезернистого гранита. Эти три породы охватывают доволь­но широкий диапазон механических свойств. Индианский из­вестняк при высоком давлении является весьма пластичной горной породой, мрамор — хрупко-пластичной и гранит — хруп­кой.

Расчетные условия были выбраны, по возможности, таким образом, чтобы наиболее полно оценить влияние параметров режима и свойств породы на показатели эффективности бу­рения.

Так, параметры режима для всех трех пород варьировались в следующих пределах: осевая нагрузка на долото G = 5, 10, 15, 20, 25, 30 тс; скорость вращения долота п = 40, 70, 100, 150, 200, 250, 400, 700, 1000 об/мин.

Был использован вариант модели, в котором долото пред­ставлено тремя цилиндрическими катками с разным числом зубцов на каждом. Диаметр долота 246 мм, вооружение — призматические зубцы для расчета бурения на известняке и мраморе и полусферические штыри для расчетов на граните. Колонна бурильных труб — полубесконечная постоянного се­чения.

В настоящей серии расчетов для щения долота использовали одну и зависимость P(z) для данной поро­ды. В действительности динамиче­ская характеристика сопротивления породы может изменяться при из­менении скорости взаимодействия зубцов долота с забоем. Характер этих изменений и вызываемые ими последствия будут представле­ны ниже. Здесь же расчеты пока­зали, что величина углубления зуб­цов в породу Zmax И КруТЯЩИЙ MO — мент Мср сравнительно слабо зави­сят от скорости вращения долота при изменении п от 40 до 1000 об/мин. Определяющими фак­торами являются свойства горной породы и осевая нагрузка на доло­то. На рис. 21 представлены зави­симости zmax(G) для всех трех по­род. Зависимости эти нелинейны, как и должно быть, учитывая слож­ный характер кривых P(z). Углуб­ление зубцов в породу резко увели­чивается с ростом осевой нагрузки.

различных скоростей вра — ту же экспериментальную

zmaxiMM Рис. 21. Расчетные зависи­мости максимальной глуби­ны внедрения зубца от осе­вой нагрузки Порода: 1 — индианский извест­няк; 2—мрамор; 3— гранит

При небольших нагрузках (5 —

10 гс) темп роста zmax сравнитель­но невелик, но в интервале от 10 до 20 тс zmax увеличивается более чем в 3 раза.

Полученные расчетные зависи­мости крутящего момента от осевой нагрузки имеют характер, анало­гичный зависимостям 2max(G). Это­го следовало ожидать, поскольку крутящий момент в значительной степени определяется величиной уг­лубления зубцов. Для сравнения качественного характера получен­ных расчетных зависимостей Mcp(G) с экспериментальной бы­ли использованы данные Д. С. Роули [52]. Так как эксперимен­ты Роули производились долотом другого типоразмера, то сравнение выполнено в относительных величинах. Сравнивае­мые зависимости (рис. 22) демонстрируют хорошее качествен­ное совпадение. Данные стендовых и промысловых исследова­ний В. В. Симонова и Г. Д. Бревдо [28], Л. Е. Симонянца и

А. М. Некрасова |30] и других также показывают линейный или близкий к нему характер зависимостей Mcp(G). Это свидетель­ствует о том, что физическая интерпретация формирования кру­тящего момента при моделировании выполнена достаточно обоснованно и непротиворечиво.

Полученные расчетные зависимости начальной механической скорости бурения от скорости вращения долота очень близки к линейным, но в некоторых случаях отклоняются от нее в сто­рону снижения темпа роста v (рис. 23, а). Это отклонение осо­бенно отчетливо проявляется при высоких осевых нагрузках на долото. Такого рода зависимости v(n) достаточно хорошо из­вестны в литературе и подтверждены многочисленными стендо­выми и промысловыми экспериментальными исследованиями [13, 33, 50, 51].

ц% Рис. 24. Сравнение рас­четной зависимости ско­рости проходки от осе­вой нагрузки с экспери­ментальной зависимо­стью по Бингхэму: 1 — расчетная зависимость; 2 — экспериментальная за­ висимость

Часто экспериментально наблюдается более значительное снижение темпа роста скорости при увеличении числа оборотов. Причины этого явления будут подробно исследованы ниже.

а 6 Рис. 23. Расчетные зависимости скоро­сти проходки от числа оборотов (а) и осевой нагрузки (б)

Кривые зависимости механической скорости от осевой на­грузки на долото также стабильны для различных пород. Они характеризуются нарастающим темпом увеличения v при ма­лых нагрузках и затем почти линейной зависимостью (рис. 23,6). Подобные зависимости были получены в стендо­вых и промысловых условиях Д. Спиром, П. Муром, М. Бинг­хэмом [13, 50, 51, 53] и рядом других исследователей. На рис. 24 дано сравнение в относительных величинах расчетных кривых с экспериментальными, полученными М. Бингэмом [13]. Расчетные данные качественно достаточно хорошо согла­
суются с общеизвестными стендовыми и эксперимен­тальными данными.

р>тс л /О ;1УУЛ/

Рис. 25. Экспериментальные зависи­мости силы сопротивления породы от глубины внедрения зубца: а — мелкозернистый слюдистый песчаник, глубина 2460—2600 м, зубец 10X1 мм; б — известняк верхнего карбона, глубина 770—970 м, зубец 5X1 мм; в — мелкокри­сталлический плотный известняк, глубина 1500—1800 м, зубец 5X1 мм; г — мелкокри­сталлический плотный известняк, глубина 1900—2200 м, зубец 5X1 мм

1 Z г, мн

Качественное совпаде­ние расчетных и экспери­ментальных зависимостей дает основание полагать, что предложенная модель процесса бурения достаточ­но хорошо воспроизводит физические явления, проис­ходящие при разрушении забоя скважины долотом.

Полезно, однако, попытать­ся сделать количественную проверку совпадения рас­четной величины скорости бурения с реальными про­мысловыми данными, т. е. провести так . называемую пассивную проверку. Такая проверка была произведена по нескольким регионам, где имелась возможность получения кернового материала и более или менее достоверных данных по отработке буровых долот.

Керны были отобраны в нескольких различных регионах и с различных глубин: мелкозернистый слюдистый песчаник

(2460—2600 м), известняк верхнего карбона (770—970 м), мелкокристаллический плотный известняк (1500—1800 и 1900— 2200 м). Лабораторная обработка кернов производилась в ус­ловиях, соответствующих глубине залегания породы с учетом параметров глинистого раствора. Соответствующие зависимо­сти P{z) и V(г) приведены на рис. 25 и 26. Для моделирова­ния были отобраны конструкции долот, наиболее употребитель­ные в каждом конкретном регионе. Конструктивные параметры этих долот были введены в модель.

Диапазон применявшихся на практике нагрузок колеблется в сравнительно незначительных пределах. При расчетах этот диапазон был существенно расширен. Таким образом, сравнение показателей могло быть выполнено только на отдельных участ­ках расчетных зависимостей. Расчетные зависимости скорости проходки и от удельной осевой нагрузки на долото даны на рис. 27. В трех сравниваемых вариантах (рис. 27 а, в, г) при­меняли турбинный способ бурения и фактическое число оборо­тов определялось по моментным характеристикам турбобуров, в четвертом случае (рис. 27,6) —электробурение.

Если принять во внимание, что горизонты, в которых про-

Рис. 26. Экспериментальные зависимости объ­ема разрушенной породы от глубины внедре­ния зубца:

а — мелкозернистый слюдистый песчаник, зубец 10X1; б—-известняк верхнего карбона (!), мелкокри­сталлические плотные известняки (2, 3), зубец 5×1

Рис. 27. Сравнение расчетных данных по скорости проходки с промысловыми экспериментальными дан­ными:

сплошная линия — расчетные зависимости, кружки — экспе­риментальные точки

изводилась отработка долот, не однородны по литологическо­му составу и часто содержат кроме исследованной еще и ряд других пород, то следовало ожидать, что только часть точек должна совпадать с расчетными кривыми. В этом смысле ре­зультаты сопоставления можно считать в высшей степени удов­летворительными. Несомненно, что порядок величин, получае­мых расчетным путем, является вполне достоверным.

Полученные обнадеживающие результаты послужили осно­ванием для активной и более детальной проверки детерминиро­ванной модели процесса бурения. На экспериментальной буро­вой— стенде была спланирована и осуществлена специальная программа для активной проверки функционирования детерми­нированной модели. Методика проведения экспериментов пре­дусматривала бурение двух параллельных стволов. В одном из них проводился сплошной отбор керна, в другом — выполня­лись буровые эксперименты при различных значениях осевой нагрузки и скорости вращения долота.

Бурили электробуром с проходкой 0,4 м при каждой комби­нации нагрузки на долото и скорости его вращения. Одновре­менно непрерывно отбирали шлам. Исследования шлама и кер­нов позволили составить крупномасштабный классификацион­ный разрез пробуренного интервала и выбрать керны для ла­бораторного исследования!.

Условия проведения экспериментов.

— Разбуриваемые породы:

известняк, категория твердости по штампу 4—5 и 5—6;

глина, категория твердости по штампу 2;

алевролито-песчано-глинистые разности, категория твердости по штампу 3.

— Забойное давление:

250 кгс/см2, соответствующее глубине 2000 м.

—Горное давление:

500 кгс/см2.

— Параметры глинистого раствора:

плотность 1,14—1,15 г/см3;

водоотдача 7 см3 за 30 мин.

Учитывая, что перечисленные выше породы слабопрони­цаемы и процесс динамической фильтрации при лабораторном исследовании кернов практически не развивается, поровое дав­ление принято равным нулю.

Скорости внедрения зубца в породу при лабораторных экспериментах соответствовали скорости вращения долота п = = 225 и 670 об/мин. ни а

Количество кернов, использованных при проведении эке-

10

чериментов, определялось из условия необходимо­сти 6—8 повторений.

_£ 1^

Выходными данными при лабораторном иссле­довании кернов являлись зависимости P(z) и V(.z).

°8

о О

Входные параметры модели:

пользования различных методов проверки, сводится к тому, что качественная и количественная сходимость результатов расчета на базе математического моделирования процесса бурения яв­ляется удовлетворительной.

Таблица 2

Интервал бурения, м	п, об/мин	G, тс	V, эксперимен­ тальная	м/ч расчетная	Отклонение, и / 0
2000—2005	670	17,5	18,6; 13,7	16,7	3
		11,8	7,3; 6,5	8,3	20
2074—2078,5	225	17,8	11,8; 10,5	12,1	8
		10,2	5,1; 6,0	6,3	13

Комментарии запрещены.