Что понимается под режимом бурения и какова методика его оптимизации?

Ответ на вопрос: «Что понимается под режимом бурения и какова методика его оптимизации?»

Режим бурения – это сочетание факторов, определяющих скорость и стоимость проходки конкретного интервала горных пород, выделенного как режимная пачка.

Режимная пачка – это непрерывный интервал бурения, в котором геолого-технологические условия принимаются постоянными, независящими от глубины залегания горных пород в пределах пачки. Такие интервалы имеют и другое название – пачки одинаковой буримости горных пород.

Режим бурения это сочетание таких параметров, которые влияют на показатели работы долота и которые бурильщик может оперативно изменять с поста управления.

Основными факторами, определяющими режим вращательного бурения, являются:
1. тип и класс породоразрушающего инструмента;
2. режим работы породоразрушающего инструмента;
3. способ вращения породоразрушающего инструмента.

Режим бурения, обеспечивающий получение наилучших технико-экономических показателей при данных условиях бурения, называется оптимальным. Иногда в процессе бурения приходится решать специальные задачи: проводку скважины через поглощающие 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 по-своему влияет на эффективность разрушения горных пород, причем влияние одного параметра может зависеть от уровня другого, т.е. может наблюдаться их взаимное влияние.

При вращательном бурении режим работы долота принято задавать следующими параметрами:
1. осевой нагрузкой на долото, кН;
2. частотой вращения долота, об/мин;
3. количеством промывочной жидкости или воздуха, подаваемых на забой для выноса разрушенной горной породы и охлаждения инструмента, м³/с.

На взаимодействие долота с горными породами оказывают существенное влияние состав и параметры буровых растворов, которые проектируются, главным образом, в соответствии с геологическими условиями проводки скважин, а поэтому будут рассмотрены при проектировании их промывки.

При нагружении долота осевой нагрузкой G создается необходимое для разрушения горной породы напряженное состояние и осуществляется отбор энергии от вращающегося инструмента для обеспечения последовательного разрушения породы по всему забою. Осевая нагрузка G = g_iD,
где g_i – интенсивность осевой нагрузки, кН на 1 мм диаметра D долота.

Предельные значения g_i составляют 0,5–1,5 кН/мм, причем меньшим диаметрам долота соответствует нижний предел, а большим – верхний предел.

По частоте вращения различают три режима работы:
1. низкооборотное (роторное) бурение – n_д ≤ 90 об/мин;
2. при средних частотах вращения, в пределах которых выделяют два диапазона – 90 < n_д ≤ 250 об/мин; 250 < n_д < 450 об/мин; эти диапазоны реализуются при вращении долот объемными забойными двигателями и редукторными турбобурами и электробурами;
3. высокооборотное бурение – n_д ≥ 450 об/мин; реализуется при бурении с безредукторными турбобурами и электробурами.

Промывка или продувка скважины должны обеспечивать полное и своевременное удаление шлама с забоя и из скважины, а также обеспечивать работу гидравлических забойных двигателей.

Расход бурового раствора предварительно подбирается из этих трех условий:
1. из условия очистки забоя определяется расход Q₁ = q_уд · F_з,
   где q_уд – удельный расход бурового раствора, м³/(с⋅м²) или м/c; F_з – площадь забоя скважины.
2. из условия подъема шлама в кольцевом зазоре между бурильными трубами и стенкой скважины определяется расход Q₂ = u · F_к,
   где u – необходимая скорость восходящего потока жидкости, м/с; F_к – площадь кольцевого зазора.
3. из условия обеспечения работы гидравлического забойного двигателя определяется расход
   
   где M_д – крутящий момент, необходимый для вращения долота; k_з – параметр забойного двигателя.

Стойкость или долговечность долота, характеризующаяся временем механического бурения долотом до его полного износа, обозначается буквой T и измеряется в числах.
Показатели H и T первичные, по ним определяют другие, более сложные показатели. Отношение H / T = v_м получило название механической скорости проходки (бурения), измеряется в м/ч и характеризует среднюю скорость разрушения горной породы.

Для характеристики общего темпа углубления скважины используется показатель, называемый рейсовой скоростью v_р:

где T_сп — время на спуск и подъем инструмента для смены долота; T_в — время на вспомогательные работы, отнесенные к рейсу.

Наиболее общий интегральный показатель работы долота — себестоимость 1 м проходки. Однако из-за сложности расчета этот показатель пока не нашел широкого применения. Взамен используется показатель стоимости 1 м проходки по затратам, зависящим от времени. Этот показатель рассчитывается по формуле
стоимость эксплуатации буровой установки в течение — стоимость долота с учетом снабженческих наценок.

Критерии оптимизации имеют вид v_р → max и c → min. c → min.

В настоящее время сопоставление новых и применяемых (базовых) вариантов долот и режимов их работы регламентируется типовой методикой ВНИИБТ, которой предусматриваются параллельные испытания вариантов и их сравнение по критерию c → min. Для принятия решения проводится оценка статистической значимости различия вариантов одним из методов статистики.

Вопросы для подготовки к госэкзамену по специальности «Бурение нефтяных и газовых скважин»