Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Соблюдение заданных характеристик любых процессов — не­пременное условие для обеспечения их устойчивости, стабильности и надежности. Поскольку же бурящаяся скважина — это система* в которой одновременно осуществляются тепловые, гидравличе­ские и другие процессы, то обеспечение нормального их протека­ния представляет собой сложную задачу, требующую самостоя­тельного решения. И оно невозможно без предварительного изу­чения устойчивости (надежности) работы бурового оборудования и бурильного инструмента, тяжелые условия эксплуатации кото­рых чрезвычайно разнообразны по характеру и изменяются во времени.

Буровое оборудование условно можно разбить на две груп­пы — наземное и подземное.

Условия эксплуатации каждой группы оборудования имеют свои особенности и в зависимости от ряда обстоятельств могут значительно отличаться друг от друга. Так, например, тепловой режим наземного оборудования во многом зависит от климати­ческих условий, которые, ,в свою очередь, зависят от местности, где находится буровая. Тепловой же режим подземного обору­дования от климатических условий не зависит, но изменяется с глубиной скважины, причем температура среды определяется ве­личиной геотермической ступени с учетом таких факторов, как: расход бурового раствора, его теплофизические и реологичёские свойства.

С. Г. Бабаев [4] и другие, специально изучавшие состояние на­дежности и долговечности наземного бурового оборудования в результате своих исследований пришли к выводу, чТо вопросы эти далеко не изучены и решение проблемы требует постановки спе­циальных исследований.

На наш взгляд, подобного рода выводы еще в большей мере могут быть отнесены к циркуляционной системе, которая должна рассматриваться как некий подземный теплообменный аппарат, в котором протекают весьма сложные тепловые, гидравлические, механические и другие процессы.

Если в первом приближении циркуляционную систему можно рассматривать как трубопровод, то по аналогии с работой [7, 25 и др.] под ее надежностью следует понимать свойство данной циркуляционной системы выполнять заданные технологические функции при условии сохранения своих эксплуатационных пока­зателей (расход, скорость, напор, качественная характеристика бурового раствора и т. п.) в течение требуемого промежутка вре­мени на заданном уровне.

Надежность трубопровода обусловливается его безотказно­стью, долговечностью и ремонтопригодностью. Эти характеристи­ки, в свою очередь, основываются на понятиях работоспособности

и отказа [21]. ■

На надежность трубопроводов влияет большое число факторов, таких как, например, материалы, из которых изготовлены трубы, характер и скорость потока рабочей среды, ее физико-химические свойства, температура, технологические условия работы трубо­провода и др. Большинство из этих факторов в конечном счете воздействует на надежность трубопроводов посредством коррозии. Именно коррозия является определяющим фактором, от которого зависит надежность трубопроводов. При этом, как показывают исследования [25], наиболее опасные формы коррозийных разру­шений трубопровода возникают на тех участках, где отмечаются нарушение плавности потока и другие различного рода местные гидравлические сопротивления в виде вмятин, выступающих свар — шых швов и т. п. На долю таких участков приходится около 90 % всех коррозийных разрушений трубопроводов. Поэтому, когда речь идет о надежности циркуляционной системы, состоящей из •огромного числа замковых и муфтовых соединений, роль корро­зийных разрушений становится во много раз значительней.

Через циркуляционную систему прокачивается буровой рас­твор, который, как правило, обработан химическими реагентами, содержит добавки утяжелителя, а также мелкие абразивные ча­стицы выбуренной породы, что еще в большей мере повышает его коррозийные свойства. В результате воздействия потока такого раствора на поверхность какой-либо детали возникает гидро­абразивное изнашивание, характеризующееся значительной ско’- ростью развития. В частности, именно такой износ характерен для гидравлической части буровых насосов, на ремонт которых, по имеющимся данным [4], уходит примерно 50 % общего баланса времени, предназначенного на ремонт оборудования. Между тем механизм гидроабразивного изнашивания, изучен далеко не до­статочно. .

Совершенно ясно, что проведение аналогии между работой обычного трубопровода и циркуляционной системой возможно лишь в первом приближении. На самом деле циркуляционная система во многом отличается от трубопровода и одним из глав­ных отличий является то, что значительная, часть циркуляционной системы представляет собой канал кольцевого сечения. В процес­се бурения внутренняя труба этого канала циклически перемеща­ется, а следовательно, изменяются гидродинамические условия движения потока и возникающие при этом нагрузки на стенки системы. Все это создает дополнительные по сравнению с работой трубопровода факторы, которые могут быть причиной возникно­вения отказов и различных неисправностей.

Используя классификацию С. Г. Бабаева [4], все возникающие яри работе циркуляционной системы отказы и неисправности по последствиям можно разделить на пять групп: 1) угрожающие безопасности обслуживающего персонала; 2) приводящие к при­хватам и авариям при бурении и значительному ущербу; 3) при­водящие к длительным простоям и досрочной замене (до выра­ботки установленного ресурса) оборудования непосредственно в период бурения; 4) связанные со сменой быстроизнашивающихся деталей и узлов; 5) легкоустраняемые в условиях эксплуатации.

Отметим, что среди характерных повреждений бурильных и обсадных колонн на первое место выдвигаются те, которые по своей природе так или иначе связаны с термогидравлическим воз­действием. Это в первую очередь смятие бурильных труб под дей­ствием гидростатического давления столба жидкости в процессе их спуска в скважину и размывы бурильной колонны в резьбовых соединениях.

Для обсадных колонн характерно смятие их в процессе спуска, когда разность гидравлических давлений внутри и снаружи пре­вышает допустимую .величину; разрушение обсадных труб под действием внутреннего давления, возникающего, как правило, .при продавках бурового и цементного растворов, а также во вре­мя твердения цемента; разрушение обсадных колонн в результате их нагрева. Как было установлено [36], при соприкосновении с движущимся бурильным инструментом поверхностные слои обсад — лых труб могут нагреваться до 300—400 °С, а в местах контакта обсадных труб с кромками долота температура может достичь 500—600 °С. Еще большая температура — порядка 1100°С и вы­ше — возникает в зоне контакта замковых соединений с внут­ренней поверхностью обсадных колонн, когда происходит процесс сухого трения.

Вполне понятно, что, накапливая сведения о дефектах отдель­ных элементов>ЦИркуляционной системы, исследуя их причины, и последствия, к которым они приводят, можно разработать меро­приятия для повышения надежности циркуляционной системы в целом. •

По аналогии с работой [7] за уровень надежности циркуляци­онной системы можно принять относительное значение ее ожидае­мой энергопропускной и транспортной способности. Под этой ве­личиной понимается отношение транспортной способности цирку­ляционной системы при отказах к таковой при условиях, обеспе­чивающих нормальную ее работоспособность. При этом расчет пропускной способности при отказах предполагает установление частоты и длительности различных состояний работоспособности циркуляционной системы, включая буровые насосы и механизмы для очистки и приготовления буровых растворов.

Также должны учитываться спуско-подъемные операции бу­рильного инструмента. t

Одним из основных показателей, с помощью которого можно оценить надежность, является так называемая вероятность без-

отказной работы P(t), которую иногда еще называют функцией надежности. По-видимому, в применении к циркуляционной си­стеме величина P(t) должна означать вероятность того, что в — течение определенного промежутка времени при заданных усло­виях эксплуатации не произойдет отказа в работе циркуляционной системы, т. е. ‘

. P(t) = P(T>t),

где Т — время работы циркуляционной системы от момента на­чала до первого отказа; i — время, в течение, которого необходимо определить вероятность безотказной работы циркуляционной си­стемы.

Среднее время безотказной работы находят по известной фор­муле математической статистики:

‘ i~n0 1

s*

Т ————————

СР ~ „ »

по

где ti — время безотказной работы г-го элемента; nG— первона­чальное число элементов.

Кроме названных для оценки надежности циркуляционной си­стемы могут быть с успехом использованы и такие показатели; теории надежности, как вероятности отказа, частота и интенсив­ность отказа, средняя наработка между отказами и средняя нара­ботка до первого отказа и др.

На современном этапе, когда ведется бурение скважин глуби­ной свыше 10 км, стало совершенно очевидным, что без учета геотермического фактора в определенных расчетах, важных для практики бурения, могут быть допущены серьезные ошибки. В частности, без учета теплообменных явлений нельзя анализиро­вать гидравлические процессы. Гидравлические и тепловые вопро­сы, относящиеся к проводке сверхглубоких скважин, должны рас­сматриваться совместно с учетом их взаимодействия, образуя единый комплекс термогидравлических задач в бурении. В пред­лагаемой работе по возможности тщательно собраны и система­тизированы материалы, которые позволяют убедиться, что к на­стоящему времени разработано достаточно много вопросов тер­могидравлического характера, имеющих непосредственный интерес как для практики, так и для теории бурения. Вместе с тем нема­ло еще теоретических методологических технологических вопро­сов, которые необходимо решить. К важнейшим из них, на наш взгляд, относятся следующие.

Пока недостаточно уделяется внимания изучению реологиче­ских и теплофизических, свойств буровых растворов (теплоносите­лей) , хотя без знания этих свойств невозможно точное решение ‘термогидравлических задач. При этом чрезвычайно важно знать характер изменения реологических и теплофизических свойств буровых растворов под влиянием температуры, поскольку это об­стоятельство самым существенным образом сказывается на про­текании всех процессов. ,

Совершенно неизвестны критерии для оценки качества буро­вых растворов как технологического агента, от которого непосред­ственно зависит скорость проходки. В этом направлении необхо­димы самые серьезные исследования, имеющие целью отыскание такого критерия качества, который можно было бы использовать непосредственно при составлении обобщенных критериальных уравнений, предназначенных для комплексного изучения процесса бурения.

Одна из актуальных задач — разработка методики подсчета технико-экономической эффективности за счет учета термогидрав­лических явлений как в процессе непосредственного бурения, так и при цементировании.

. Необходимо тщательно изучить термогидравлическую харак-. теристику бурильного инструмента и оборудования • (изменение гидравлических потерь в Зависимости от расхода и температуры; критическое значение температурных напряжений и т. п.) с тем, чтобы эти сведения наряду с другими, обычно используемыми показателями были включены в тенический. паспорт каждого до­лота, бурильной трубы, замкового соединения и т. п.

Большой практический и теоретический интерес представляет дальнейшее изучение особенностей термогидравлических процес­сов в условиях затрубного пространства бурящихся скважин, когда надо считаться не только с наличием кольцевого сечения, но и с тем, что в процессе бурения изменяется его конфигурация,, степень заиления и состояние поверхности стенок кольцевого ка­нала. Наряду с этим следует уделить должное внимание опреде­лению гидравлических потерь в затрубном пространстве от замко­вых соединений, особенно в условиях структурного режима.

Необходимы специальные исследования для выяснения усло­вий, при которых возможно создание оптимального термогидрав­лического режима работы циркуляционной системы с учетом, обеспечения эффективной очистки забоя и ствола скважины при минимальной затрате мощности.

Не менее важно специальное изучение состояния надежности и долговечности циркуляционной системы, которая должна рас­сматриваться как некий подземный теплообменный аппарат, в ко­тором протекают весьма сложные тепловые, гидравлические, ме­ханические и другие процессы.

Учитывая специфические условия термогидравлических про­цессов в бурящихся скважинах, необходимо развернуть широкий фронт промысловых наблюдений с использованием новейшей экспериментальной техники и аппаратуры, с применением ЭВМ и методов планирования эксперимента. При этом особое внимание необходимо обратить на создание канала связи между устьем и приборами, расположенными на забое скважины, причем такой канал должен работать при любом способе бурения.

Требуется разработка единой терминологии и унификация обозначений, наиболее часто встречающихся в практике термогид­равлических расчетов.

Вот далеко не полный перечень вопросов, решение которых, по нашему убеждению, будет способствовать не только развитию самой термогидравлики буровых жидкостей, но и поможет уста­новлению взаимосвязи между основными режимными парамет­рами бурения. Это, в свою очередь, повысит технико-экономиче­ские показатели проходки глубоких скважин.

[1] От греч. rheos — поток и logos — учение. 10 —

[2] Иногда вместо градиента скорости’ и напряжения сдвига говорят о зави­симости между скоростью сдвига у и приложенным сдвиговым напряжением. Скорость двига одномерного течения будет равна градиенту скорости, т. е.

y=du/dy. .

[3] От латин. consisto — застываю, густею.

[4] От латин. dilatatio — расширение, растяжение. Термин введен * Рей­нольдсом, впервые наблюдавшим дилатансию у песка.

[5] От латин. coagulatio — свертывание, затвердевание*

[6] От греч. hysteresis —• запаздывание.

[7] От греч. rheos — течение, поток и греч. pektos — свернувшийся, студне­образный. .

[8] От латин. destructio — разрушений структуры чего-либо.

[9] От латин. convectio — привоз, привнесение.

[10] Если действовать согласно схеме (см. стр. 55), то такое допущение из­лишне.

[11] В монографии М. Р. Мавлютова «Разрушение горных пород при бурений- скважин» (М., Недра, 1978) приводятся весьма интересные результаты по ис­следованию движения промывочного агента в призабойной зоне скважины, полученные в УФНИ.

(VI.6) до вида (VI. 14) приводит ко второй погрешности, в результате чего точ­ка начала движения (Л2) отодвигается еще дальше (точка D").

[13] Строго говоря, уравнение (VI.6) применимо к вязко-пластичным жидкостям только при условии, что реологическая кривая А2ВС2 заменена прямой DBC2 (см. рис. 1 ,а). В координатах Q—Р (см. рис. 21) это означает, что неко­торая кривая А2В’С2, вывод уравнения для которой неизвестен, заменяется кривой D’B’C’2> которая описывается уравнением (VI.6). Тем самым получается определенная погрешность, заключающаяся в том, что истинная точка начала движения (А2) перемещается вправо (точка D’). Упрощение же уравнения

[14] Э. К. Латыпов, Б. С. Филатов. Уточнение расчета потерь давления при течении вязкопластичных жидкостей в трубах.—Нефтяное хозяйство, 1962, № 3, — с. 23—30.

[15] Согласно ГОСТ 5286—75, помимо указанных выше должны изготовлять замки ЗШК и ЗУК для соединения бурильных труб, в которых имеются кони­ческие стабилизирующие пояски. Однако с гидравлической точки зрения эти замки мало чем отличаются от замков ЗШ и ЗУ и поэтому отдельно не рас­сматриваются.

[16]

Зависимость Rr=f(6) может быть выражена и эмпирическим уравнением типа _

Rr — Rro "Г т&>

где RT0=(D—d)/4 — гидравлический радиус для кольцевого се­чения при отсутствии желоба (6 = 0); т — угловой коэффициент, зависящий от сочетания диаметров скважин и бурильных труб, в также типа замков. .

Комментарии запрещены.