О поиске оптимальных нагрузок на долото при бурении забойными двигателями

Сопоставление гидравлической нагрузки на опору забойного двигателя с осевой нагрузкой на долото позволяет оптимизировать режим бурения по данным ГТИ.
Оптимальная отработка долот является одной из задач геолого-технологических исследований ГТИ и включает следующие подзадачи:
• оперативный поиск оптимальных нагрузок Wопт;
• определение оптимального времени смены долот.
Настоящая статья посвящена поиску Wопт в условиях турбинного способа бурения.
Бурение осуществляется по рациональному или нерациональному режиму, который запроектирован заранее и не зависит от службы ГТИ.
Рациональный режим характеризуется правильным выбором типа и секционности турбобура и типа долота с учетом свойств горных пород и особенностей геологического разреза. Указаны технологически обоснованные расходы промывочной жидкости с учетом характеристики турбины, конструкции осевой опоры двигателя и моментоемкости бурения. Ориентировочно даны пределы изменения нагрузок на долото и диаметры насадок для максимальной реализации гидромониторного эффекта.
Поскольку при турбинном бурении любые изменения режимных параметров – нагрузки на долото и частоты его вращения – возможны только в пределах линии моментов М–n двигателя, очевидна определяющая роль этой линии. Как было показано [1-3], положение линии М–n определяется не только характеристикой турбины, но и моментоемкостью бурения и соотношением гидравлической нагрузки «сверху-вниз» от перепадов давления в турбине и долоте с осевой нагрузкой на долото W.
При нерациональных режимах параметры устанавливаются произвольно, без строгого учета взаимовлияния, которое характерно для турбинного бурения.
Однако при любом бурении – рациональном или нерациональном – существуют свои оптимальные нагрузки, обеспечивающие максимальные показатели работы долот, причем поиск их осуществляется одинаково. В условиях бурения забойными двигателями, имеющими осевые опоры, производится поиск критического значения нагрузки на долото, при котором наблюдаются резонансные явления. При этой нагрузке бурение сопровождается сильной вибрацией инструмента, и данный режим является наиболее неблагоприятным и разрушительным для долота. Однако вблизи этой нагрузки находится оптимальная нагрузка Wопт, обеспечивающая максимальную механическую скорость бурения и проходку на долото. Этот «парадоксальный» способ хорошо известен опытным бурильщикам, которые в определенных условиях (при разбуривании прочных пород на сравнительно небольших глубинах) оперативно и надежно находят Wопт.
Сущность способа состоит в том, что при равенстве гидравлической нагрузки с осевой нагрузкой на долото, происходит полная разгрузка опоры двигателя и возникает вибрация. Этот режим бурения наиболее опасен для долота, так как приводит к ускоренному разрушению. Однако небольшой уход от этой нагрузки (на 1-2 т) совпадает с зонами Wопт. Вибрации исчезают, а потери вращающего момента в опоре не велики. На рис. 1 показаны линии моментов турбобура (линия 2) и его турбины (линия 1). Линия 2 наглядно иллюстрирует способ поиска Wопт. Критическая точка С соответствует полной разгрузке опоры, а заштрихованная часть – зона повышенной вибрации. Эту зону найти легче, чем Wопт. В этом и состоит сущность поиска Wопт. Обычно от точки С осуществляется уход к точке А – Wопт1 посредством небольшого увеличения нагрузки. Для устойчивой работы долота необходим «запас» вращающего момента М, величина которого достаточно велика (для турбобуров диаметром 195 мм и долот 215,9 мм М – не менее 300 Нм). Объясняется это тем, что момент инерции вращающихся масс деталей двигателя и долота мал по сравнению с моментоемкостью бурения. Как следствие, трудноконтролируемые и вполне вероятные изменения М способны за десятые и даже сотые доли секунды [3] изменить частоту вращения от разгона nр до полного торможения двигателя.

Рис. 1. Линии моментов М-n турбины 1 и турбобура 2:
С – критическая точка (вибрация инструмента);
А – граница первой оптимальной нагрузки Wопт1;
В – граница второй оптимальной нагрузки Wопт2;
nр – разгонная частота вращения;
nх –частота холостого вращения турбины;
М – «запас» момента для устойчивой работы долота.
В случае неустойчивой работы долота производится небольшое снижение нагрузки в зону Wопт2. Отработка долот в зонах линии моментов левее точки А и правее точки В – нерациональна: в первом случае из-за неустойчивой работы долота и изменений частоты вращения в широком диапазоне, во втором - из-за малых нагрузок на долото и высокой частоты вращения n, при котором среднее значение близко к частоте холостого хода nр. Промысловые наблюдения показывают, что именно в этих зонах осуществляется отработка долот, причем наиболее часто в обеих нерациональных зонах, включая прохождение критической точки С. Указанное неизбежно при редких подачах инструмента и больших разгрузках веса на крюке.
Хорошо известны преимущества бурения при высоких нагрузках на долото, но в пределах допустимого Wдоп, особенно для долот с вставными зубками. Поэтому одна из задач проектирования оптимальной отработки долот состоит в том, чтобы гидравлическая нагрузка Wг, фактическая нагрузка Wопт и допустимая Wдоп были примерно равны. Однако в реальных условиях бурения редко устанавливается такой режим. Как правило, гидравлическая нагрузка не контролируется.
Рассмотрим возможные варианты отработки долот и действия оператора ГТИ по корректировке режима бурения.
1. Бурение осуществляется при нагрузке W, которая меньше допустимых Wдоп для применяемого типа долота. Попытки увеличить W приводят к неустойчивой работе двигателя, очевиден недостаток вращающего момента. В этом случае необходимо рекомендовать увеличение расхода бурового раствора Q.
2. Бурение осуществляется при нагрузке, которая равна допустимой и двигатель работает устойчиво, однако эта нагрузка существенно (более 3-4 т) превышает гидравлическую. Необходимо рекомендовать на очередном долблении уменьшить суммарную площадь истечения насадок долота. Реализация этой рекомендации улучшит отработку долот не только за счет гидромониторного эффекта, но и «улучшения» линии моментов М–n двигателя: увеличения М и уменьшения частоты холостого вращения долота nр.
3. Бурение осуществляется при W = Wдоп, но гидравлическая нагрузка больше нагрузки на долото. Этот вариант проявляется при чрезмерном «увлечении» гидромониторным эффектом и переоценкой его значения. При очень больших Wг двигатель, как правило, плохо запускается в работу и оператор ГТИ должен рекомендовать увеличить диаметр насадок.
Для решения указанных выше вопросов корректировки режимов бурения оператор ГТИ должен контролировать величину гидравлической нагрузки Wг по графикам, общий вид которых показан на рис. 2 и 3. Что касается оптимальных нагрузок, то при бурении на больших глубинах сравнительно малопрочных пород рука не всегда способна уловить вибрацию от полной разгрузки опоры двигателя - необходим приборный контроль вибрации.

Рис. 2. Гидравлическая нагрузка на осевую опору турбобура от перепада давления в турбине: 1, 2, 3 – турбины.
Нередко по виду кривой разгрузки веса на крюке при заторможенном вале лебедки пытаются найти Wопт, полагая, что темп разгрузки соответствует мгновенной механической скорости бурения [4]. Типичный вид диаграммы веса на крюке показан на рис. 4. Наблюдаются две области разгрузки:
• при больших нагрузках, характеризуется медленной разгрузкой и большой скоростью углубления долота;
• при малых нагрузках, полная противоположность.
Такой вид диаграммы объясняется тем, что бурильная колонна не является пружиной с жесткой характеристикой «нагрузка-деформация». Вполне очевидно, что при малых нагрузках колонна устойчива и мало реагирует на ее величину, а при больших сжимающих нагрузках теряет устойчивость и сильно сокращается ее длина за счет изгиба колонны.

Рис. 3. Гидравлическая нагрузка на осевую опору турбобура от перепада давления в насадках долота при различных расходах Q.
Исследования зависимости механической скорости от нагрузки на долото W, выполненные при турбинном бурении в Западной Сибири, однозначно свидетельствуют о интенсивном росте скорости по мере увеличения W вплоть до остановки двигателя из-за его торможения.
Оптимальная отработка долота осуществляется в зоне I (рис. 4), если при этом не пересекается критическая точка С полной разгрузки осевой опоры.

Рис. 4. Вид диаграммы изменений W:
I – зона высоких нагрузок;
II – зона малых нагрузок.
Выводы
1. По оперативной оценке гидравлической нагрузки на опору двигателя от перепадов давления в турбине и долоте и сопоставлении ее с осевой нагрузкой на долото имеется возможность корректировать режим бурения в рамках контроля ГТИ.
2. Для оперативного поиска оптимальной нагрузки на долото в информационно-измерительный комплекс ГТИ должно быть дополнительно включено измерение вибрации инструмента, так как другие параметры для решения этой задачи малоинформативны.
Литература
1. Временное руководство по технологии турбинного бурения в Среднем Приобье. Тюмень: СибНИИНП. 1975.
2. Струговец Е. Т., Рамазанов Е. Н., Биишев А. Г. Исследование линии моментов турбобуров ЗТСШ-195 и ТР2Ш-195. Бурение скважин в Тюменской области // Труды СибНИИНП. Тюмень. 1975. Вып. 2 .
3. Григорьев П. Н. Струговец Е. Т. О минимально возможной скорости вращения долота и устойчивости его работы при бурении турбобуром ЗТСШ-195ТЛ. Бурение скважин в Тюменской области // Труды СибНИИНП. Тюмень. 1975. Вып. 2.
4. Геолого-технологические исследования в процессе бурения // РД 39-0147716-102-87. 1987. С. 196-197.

Автор: Струговец Е.Т., Лугуманов М.Г.