Модели бурения развиваются исторически в зависимости от физико-механических свойств горных пород, механизмов и способов разрушения породы и степени очистки забоя. Необходимо учитывать взаимодействие бурильного инструмента со скважиной, как единого механизма. Именно это является причиной существенного отличия эффективности промыслового бурения от лабораторного и бурения мелких скважин.
Скорость бурения и нагрузка на долото не связаны началом координат. Бурение начинается с некоторой «стартовой» скорости и «стартовой» нагрузки, создающей напряженное состояние в горных породах. Зависимость скорости бурения от нагрузки имеет скачкообразный трехступенчатый характер. В бурении используются интервалы нагрузок второй ступени. Первая и третья не применяется в силу малой эффективности и высокой аварийности долот.
В интервалах нагрузок интенсивного роста скорости долото отклонено от оси скважины. В турбинном способе долото находится в таком положении до остановки турбобура, которой способствует «вдавливание в соосность» долота со скважиной.
Согласно зависимостям скорости от нагрузки и частоте вращения долота, устанавливаемым в начале долбления, при наращивании инструмента или эксцессах скорости, оперативно корректируется режим бурения. В турбинном бурении определяется флюидонасыщенность разбуриваемых пород и состояние долота.
Особый интерес к параметрам режима бурения, как к влияющим на процесс факторам, проявлялся уже в начале 20 века при переходе на вращательное бурение.
Стремление оптимизировать процесс бурения привело к попыткам создания моделей этого процесса, базирующихся на теоретических расчетах и эмпирических закономерностях, характеризующих работоспособность долот и эффективность разрушения горных пород.
В отечественной практике модели процесса бурения сформировались после установления В.С. Федоровым зависимости механической скорости бурения V от нагрузки на долото G и частоты его вращения n. В [17] получена эмпирическая зависимость V =a nx Gy ,
где по данным Л.И. Штурмана при турбинном бурении в породах каширской свиты x = 0,7; y = 1,1; а = 0,0024.
Из приведенного в [9] анализа известных данных, общепризнанной модели процесса бурения нет вообще. Представлены шестнадцать формул зависимости скорости бурения от нагрузки на долото и частоты его вращения, включая формулу В.С. Федорова (по данным Л.И. Штурмана и версии Р.А. Бадалова) и формулу бурения Ю.Ф. Потапова и В.В. Симонова. Версию модели разработали В.К. Маурер, Ван-Линген, А. Вудс, совместно Эккель, Кэннон и Бингстейн, также Вардрук и Кэннон. Свои версии предложили Кэтлин, Мюррей, Каннингхем, Брентли и Я.А. Гельфгат с соавторами. Д.С. Роули, Р.Дж. Хоу и Ф.Х. Дилли разработали совместную модель, самостоятельно Симон и А.А. Погарский. Р.М. Эйгелес разработал пятнадцать моделей для каждого из дискретных перемещений забоя за 3 - 18 оборотов долота [19].
Наиболее привлекательной по доступности измерения параметров и управления ими может быть модель V (G,n), устанавливаемая непосредственно в процессе бурения в начале долбления, при наращивании инструмента и при эксцессах V в короткий промежуток времени без задержки бурения и, возможно, в автомати-ческом режиме. В каждом конкретном промежутке времени бурения t → 0 подобная модель, одна из бесконечного множества, находится в зависимости не только от сочетания модели долота и физико-механических свойств проходимых горных пород с учетом забойных условий, характеристик промывочной жидкости, гидравлической программы и т.д., но и состояния ствола скважины и компоновки бурильного инструмента.
Чтобы адекватно воспринимать текущую модель и ее изменения необходимо понимание отдельных деталей происходящего, начиная от механизмов разрушения горных пород до взаимодействия бурильного инструмента со стенками скважины, как единого процесса.
Из вышесказанного следует: модель определяет степень влияния отдельных параметров на эффективность процесса бурения. Частота вращения долота оказывает влияние на количество актов разрушения в единицу времени, на скорость приложения нагрузки к разрушаемой породе, изменяя ее прочность. Расход промывочной жидкости и давление, с которым она подается, оказывает влияние на степень чистоты забоя, т.е. на подготовленность породы на забое к разрушению, причем свойства раствора влияют на устойчивость стенок скважины и возможность выравнивания давления в призабойной зоне, тем самым, влияя на эффективность разрушения горных пород, а также вынос выбуренной породы с поверхности забоя. Нагрузка на долото напрямую влияет на процесс разрушения горной породы на забое.
Автор: Синев С.В.
