СПОСОБ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН Российский патент 2003 года по МПК E21B7/00 E21B44/00 

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к бурению скважин на различные виды полезных ископаемых.

При разведке месторождений полезных ископаемых в геологическом разрезе часто встречаются анизотропные и перемежающиеся по твердости горные породы, при бурении которых затруднена рациональная отработка породоразрушающего инструмента путем оперативного подбора оптимального сочетания параметров режима бурения: осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент Р, частоты его вращения n и производительности насоса Q. Под воздействием технологических параметров Р, n, Q происходит интенсификация разрушения горных пород на забое скважины и скорости ее углубки, т.е. рост производительности процесса бурения. Однако при нерациональном сочетании этих параметров зачастую скорость изнашивания породоразрушающего инструмента опережает желаемую скорость разрушения горной породы, что приводит к непроизводительным затратам времени и средств, связанных с заменой изношенного инструмента. В этих условиях немаловажным фактором, оказывающим существенное влияние на себестоимость бурения, является энергоемкость (расход энергии на единицу объема разрушенной породы) процессов разрушения, удаления продуктов разрушения с забоя и транспортирования их нагнетаемой насосами промывочной жидкостью на устье скважины.

Мощность, реализуемая породоразрушающим инструментом на забое скважины, определяется известной формулой (см. "Методические рекомендации по расчету затрат мощности на бурение геологоразведочных скважин малого диаметра". Авт. : В.Г. Кардыш, А.С. Окмянский, С.А. Арифулин и др. М.: Недра, 1977, с. 31 и И. В. Элияшевский, Я.М. Оргуляк, М.Н. Сторонский. Типовые задачи и расчеты в бурении. М.: Недра, 1974, с. 503), которая имеет общий вид
N=k•n•P•D, (1)
где N - мощность, затрачиваемая на привод породоразрушающего инструмента, кВт; k - коэффициент, характеризующий состояние породоразрушающего инструмента и разбуриваемую породу; n - частота вращения долота, мин^-1; Р - осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент, кН; D - диаметр породоразрушающего инструмента; м.

Гидравлическая мощность, расходуемая буровыми насосами, определяется по формуле
N_r=k_n•P_H•Q, (2)
где N - гидравлическая мощность, затрачиваемая насосами, кВт; k_n - коэффициент пропорциональности, учитывающий размерности; Р_H - давление насоса, МПа; Q - производительность насоса, л/мин.

Таким образом, из формул (1) и (2) видно, что энергетические показатели бурения, в основном, зависят от трех режимных параметров Р, n и Q.

В свою очередь, интегральный показатель бурения - механическая скорость бурения - при постоянной производительности насоса в зависимости от двух параметров режима бурения Р и n (см. B.C. Федоров. Проектирование режима бурения. Гостоптехиздат, 1960, с. 373) имеет обобщенный вид
V_м=k_p•P^a•n^b, (3)
где V_м - механическая скорость бурения, м/ч; k_р - коэффициент размерности; а и b - показатели степени, зависящие от технических условий, например, от конструкции и состояния вооружения долота в процессе бурения.

Из (1)-(3) видно, что для снижения энергозатрат и повышения скорости бурения необходимо определение оптимального сочетания параметров Р, n и Q для конкретных условий и состояния породоразрушающего инструмента, позволяющее оптимизировать оба результирующих признака процесса бурения скважин.

Известны способы вращательного бурения скважин (роторный, турбинный и бурение электробуром), основанные на вращении бурильного вала и связанного с ним породоразрушающего инструмента и промывкой забоя скважины буровым насосом (см. И. В. Элияшевский, Я.М. Оргуляк, М.Н. Сторонский. Типовые задачи и расчеты в бурении. М. : Недра, 1974, с. 503), при которых технологические параметры Р, n и Q определяются расчетным путем. Недостатком этих способов является то, что технологические параметры Р, n и Q и их сочетание определяются расчетным путем до спуска долота в скважину и не учитывают реальных условий в скважине, связанных с изменением горных пород в течение рейса и износом вооружения долота. Кроме того, эти способы не учитывают энергоемкость процессов бурения и очистки забоя скважины от выбуренной породы циркулирующей промывочной жидкостью.

Известен также способ вращательного бурения фирмы США Snuth Tool (см. Drilling "DCW", 1975, V, 8, т. 36, pp. 53-55), основанный на выборе осевой нагрузки на долото Р в кН и частоты его вращения n в мин^-1 в соответствии с величиной гидравлической мощности N_г.д., в кВт, срабатываемой в долоте (прототип). В соответствии с этим способом построены номограммы, учитывающие зависимость минимального значения N_г.д., в кВт, при которой предотвращается повторное измельчение шлама, от произведения Р_у•n для долот различных диаметров (Р_у - удельная нагрузка в кН на 1 см диаметра долота), т.е. устанавливается определенное соотношение N_г.д. к Р_у•n.

Существенными недостатками прототипа является то, что определение оптимальных технологических параметров режима бурения: осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент Р, частоты его вращения n и производительности насоса Q производится до спуска долота в скважину путем вычисления произведения Р_у•n, расчета N_г.д., срабатываемой в долоте, и построения номограмм. Кроме того, прототип не учитывает энергетическую сторону рассматриваемых процессов в различных условиях, т.к. установленные в долоте гидромониторные насадки имеют определенный диаметр и при смене на забое горной породы в течение одного рейса долота возникает необходимость регулировать N_г.д. за счет Q (при ее повышении), и это увеличивает перепад давления в долоте, гидравлические сопротивления по всей циркуляционной системе, что приводит к увеличению энергозатрат, а следовательно, и к увеличению себестоимости бурения. Таким образом, прототип не обладает оперативностью управления процессом бурения и имеет высокую энергоемкость в сравнении с заявляемым объектом.

Техническим результатом изобретения является повышение производительности бурения с минимальными энергозатратами, позволяющее снизить себестоимость строительства скважин, за счет уменьшения общих энергозатрат в сравнении с прототипом.

Этот результат достигается тем, что в способе вращательного бурения скважин, включающем разрушение горной породы на забое породоразрушающим инструментом, связанным с вращающимся бурильным валом, удаление продуктов разрушения с забоя и транспортирование их на устье скважины циркулирующей промывочной жидкостью, прокачиваемой насосом, установление расчетным путем оптимальных параметров режима бурения: осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент Р, частоты его вращения n и производительности насоса Q предусмотрено при каждой смене горной породы на забое и по мере износа породоразрушающего инструмента определение оптимального сочетания технологических параметров режима бурения Р, n и Q путем их варьирования с использованием не менее четырех сочетаний, фиксирования соответствующих им значений механической скорости бурения, затрат мощности на привод породоразрушающего инструмента и насоса, вычисления суммарной удельной объемной энергоемкости, выбора сочетания технологических параметров режима бурения, соответствующего минимальному значению суммарной удельной объемной энергоемкости, и дальнейшее бурение скважины при этом сочетании.

Отличием изобретения от прототипа является то, что при каждой смене горной породы на забое и по мере износа породоразрушающего инструмента определяют оптимальное сочетание технологических параметров режима бурения Р, n и Q путем их варьирования с использованием не менее четырех сочетаний, фиксирования соответствующих им значений механической скорости бурения, затрат мощности на привод породоразрушающего инструмента и насоса, вычисления суммарной удельной объемной энергоемкости, выбора сочетания технологических параметров режима бурения, соответствующего минимальному значению удельной энергоемкости, и дальнейшее бурение скважины при этом сочетании.

Это отличие предлагаемого способа от прототипа подтверждает его новизну.

В установившемся режиме бурения скважины объем разрушения породы в единицу времени определяется произведением механической скорости бурения V_м на площадь забоя F_з. Отсюда удельная объемная энергоемкость разрушения горной породы на забое определяется из выражения
E_v=N/V_м•F_з, (4)
где E_v - удельная объемная энергоемкость, кВт.ч/м³; N - мощность, затрачиваемая на привод породоразрушающего инструмента, кВт; V_м - механическая скорость бурения, м/ч; F_з - площадь забоя скважины, м².

Приведенная зависимость показывает, что в определенных условиях с увеличением мощности, реализуемой на забое, повышаются эффективность и механическая скорость бурения. В то же время изменение фактической энергоемкости процесса бурения для различных пород связано с изменением их физико-механических свойств и влиянием угнетающего дифференциального давления (алгебраическая разность давлений на забое от гидростатического, вызванного весом столба промывочной жидкости, перепада давления в кольцевом пространстве между стенками скважины и бурильными трубами, пластового или порового в породах забоя), препятствующего своевременному отрыву и удалению уже разрушенных обломков породы. Кроме того, величина удельной объемной энергоемкости зависит от свойств промывочного агента, конструкции породоразрушающего инструмента, параметров режима бурения и схемы промывки забоя скважин.

Таким образом, анализируя энергоемкость разрушения пород в процессе бурения, можно оценивать эффективность параметров режима бурения и породоразрушающего инструмента.

Наряду с механической энергией при бурении с промывкой расходуется гидравлическая энергия потока промывочной жидкости, обеспечивающая охлаждение породоразрушающего инструмента, вынос с забоя и транспортирование на устье скважины продуктов разрушения.

Считая обе затрачиваемые мощности как полезные в общем цикле строительства скважины, общий их расход можно выразить как сумму двух слагаемых
N_об=N+N_г, (5)
где N - мощность, затрачиваемая на привод породоразрушающего инструмента, кВт; N_г - гидравлическая мощность, затрачиваемая насосами, кВт.

Заменив в формуле (4) F_з=0,785•D², N, N_г - их составляющими (1) и (2), а также V_м - ее значением по (3), найдем

После преобразований и замены некоторых коэффициентов и постоянных обобщенными коэффициентами получим основное уравнение удельной объемной энергоемкости процесса бурения

где E_v - удельная объемная энергоемкость процесса бурения, кВт•ч/м³ ; k₁ - коэффициент пропорциональности, учитывающий размерности и степень износа долота; k'₂ - коэффициент пропорциональности, учитывающий размерности; Р - осевая нагрузка, кН; n - частота вращения долота, мин^-1; Р_Н - суммарное давление нагнетания насоса, МПа; Q - производительность насоса, л/мин.

Так как суммарное давление нагнетания насоса Р_H складывается из потерь напора в отдельных элементах циркуляционной системы, а эти потери напора пропорциональны квадрату расхода промывочной жидкости и размерам отдельных элементов конструкции бурильной колонны и породоразрушающего инструмента (см. И. В. Элияшевский, Я. М. Оргуляк, М.Н. Сторонский. Типовые задачи и расчеты в бурении. М. : Недра, 1974, с. 53-64), которые не изменяются в процессе бурения, то можно записать
Р_H=k_пр•Q², (8)
где Р_Н - давление нагнетания насоса, МПа; k_пр - коэффициент пропорциональности, учитывающий геометрические параметры отдельных элементов циркуляционной системы, плотность и коэффициент гидравлических сопротивлений на отдельных участках циркуляции промывочной жидкости.

Т. е. для данной конструкции бурильной колонны и породоразрушающего инструмента, параметров промывочной жидкости и глубины скважины Р_Н зависит только от производительности насоса Q, следовательно, уравнение (7) можно записать в следующем виде:

где E_v - удельная объемная энергоемкость процесса бурения, кВт•ч/м³; k₂ - коэффициент пропорциональности, учитывающий размерности и конструкцию отдельных элементов циркуляционной системы и породоразрушающего инструмента.

Таким образом, энергоемкость процесса бурения породоразрушающим инструментом данной конструкции и размера при заданной циркуляционной системе промывки можно оценивать по трем управляемым технологическим параметрам Р, n и Q.

По уравнению (9) определяют численные значения коэффициентов k₁, k₂, а и b для конкретных условий бурения и типов породоразрушающего инструмента. Искомые параметры математической модели энергоемкости процесса бурения могут быть рассчитаны методом случайного поиска (см. В.И. Лисицын, А.В. Юдаев. К вопросу решения систем нелинейных алгебраических уравнений методом случайного поиска. Рига, Зинатне, 1972, с.234). При этом по выборкам Р, n, Q и Е_v, полученным путем варьирования Р, n и Q, фиксации V_м и последующего вычисления Е_v в процессе бурения по данной породе, производится минимизация функции качества

где U - минимальное значение удельной объемной энергоемкости для фиксированных параметров режима бурения, кВт•ч/м³; m - количество фиксированных точек.

Оперативная оптимизация процесса бурения по энергетическому критерию по трем технологическим параметрам Р, n и Q при наличии компьютерной техники без дополнительных затрат позволяет повысить производительность бурения с минимальными энергозатратами и снизить себестоимость строительства скважин.

Заявителям неизвестно использование отличительных особенностей предлагаемого способа в другой совокупности признаков, что обуславливает его изобретательский уровень.

Пример осуществления заявляемого способа
При проведении экспериментальных работ в стендовых условиях по определению эффективности долот (см. В.Н. Кузнецов, П.Т. Мачеча, В.И. Склянов и Т. П. Бронникова. Буровое шарошечное долото. А.с. 1416656. БИ 30, 1988) при бурении гранитов IX категории по буримости поиск оптимальных сочетаний Р, n и Q путем их варьирования с использованием не менее четырех сочетаний осуществлялся по уравнению (9). В качестве критерия сходимости интерполяционного процесса принимался минимум средней квадратичной погрешности

где E_i и - расчетные и экспериментальные значения энергоемкости, кВт•ч/м³.

В качестве расчетных программ минимизации использовалась стандартная программа MINUIL из библиотеки 01 МО ЭВМ БЭСМ-6. Согласно этой программе в качестве критерия сходимости минимизации функционала вида (10) является значение рассчитанного расстояния до минимума (ЕДМ), которое не должно превышать величины 0,1. Оптимальные параметры режима бурения и коэффициенты уравнения (9) приведены в таблице.

В дальнейшем этот способ оптимизации процесса бурения был исследован при внедрении долот ДДАС-59 в 324 ГРП ПГО "Сосновгеология", при этом производительность бурения увеличилась на 30% с соответствующим снижением себестоимости бурения.

Промышленная применимость - бурение скважин с целью поисков, разведки и эксплуатации (нефть и газ) месторождений полезных ископаемых.

Предлагаемый способ вращательного способа бурения скважин предусматривает определение оптимальных сочетаний технологических параметров режима бурения Р, n и Q при каждой смене горной породы на забое и по мере износа породоразрушающего инструмента путем их варьирования с использованием не менее четырех сочетаний, фиксирование соответствующих им значений механической скорости бурения, затрат мощности на привод породоразрушающего инструмента и бурового насоса, вычисления суммарной удельной объемной энергоемкости, выбора сочетания параметров режима бурения, соответствующего минимальному значению удельной объемной энергоемкости и дальнейшее бурение скважин при этом сочетании, что и определяет новизну предложенного способа в отличие от аналогов.

Изобретение относится к горной промышленности при бурении геологоразведочных и эксплуатационных (нефть и газ) скважин и предназначено для снижения себестоимости строительства скважин. Способ вращательного бурения включает разрушение горной породы на забое вращающимися бурильным валом и связанным с ним породоразрушающим инструментом, удаление продуктов разрушения с забоя и транспортирование их на устье скважины циркулирующей промывочной жидкостью, прокачиваемой насосом, установление расчетным путем оптимальных технологических параметров режима бурения: осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент P, частоты его вращения n и производительности насоса Q, при каждой смене горной породы на забое и по мере износа породоразрушающего инструмента определяют оптимальное сочетание технологических параметров режима бурения Р, n и Q путем их варьирования с использованием не менее четырех сочетаний, фиксирования соответствующих им значений механической скорости бурения, затрат мощности на привод породоразрушающего инструмента и насоса, вычисления суммарной удельной объемной энергоемкости, выбора сочетания технологических параметров режима бурения, соответствующего минимальному значению суммарной энергоемкости, и дальнейшее бурение скважины при этом сочетании, что обеспечивает повышение производительности работы. 1 табл.

Способ вращательного бурения скважин, включающий разрушение горной породы на забое породоразрушающим инструментом, связанным с вращающимся бурильным валом, удаление продуктов разрушения с забоя и транспортирование их на устье скважины циркулирующей промывочной жидкостью, прокачиваемой насосом, установление расчетным путем оптимальных параметров режима бурения: осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент Р, частоты его вращения n и производительности насоса Q, отличающийся тем, что при каждой смене горной породы на забое и по мере износа породоразрушающего инструмента определяют оптимальное сочетание технологических параметров режима бурения Р, n и Q путем их варьирования с использованием не менее четырех сочетаний, фиксирования соответствующих им значений механической скорости бурения, затрат мощности на привод породоразрушающего инструмента и насоса, вычисления суммарной удельной объемной энергоемкости, выбора сочетания технологических параметров режима бурения, соответствующего минимальному значению удельной объемной энергоемкости, и дальнейшее бурение скважины при этом сочетании.