Режим бурения

Контроль за другими параметрами режима бурения. Давление бурового раствора измеряется датчиком, который монтируется на трубопроводе между насосами и стояком или на стояке нагнетательной линии буровых насосов. Частота вращения ротора измеряется тахометрами разных конструкций. Существуют также приборы, измеряющие механическую скорость проходки, а также регистрирующие и показывающие забойные параметры процессов бурения (число оборотов вала турбобура, пространственное положение забоя скважины и т. д.).

Все эти приборы входят в комплект системы наземного контроля процессов бурения ПКБ (пульт контроля процессов бурения). Номенклатура параметров определяется в зависимости от мощности буровой установки. Постоянно ведутся работы по совершенствованию системы контроля и управления процессом бурения скважины.

Процесс строительства скважин характеризуется быстрым изменением ситуаций и действием многочисленных взаимосвязанных факторов, меняющихся во времени и пространстве. Несмотря на цикличность и повторяемость производственных процессов при бурении скважин, каждый цикл обычно имеет свои особенности, обусловленные влиянием конкретных геолого-технических и организационных факторов. Кроме того, в процессе бурения часто возникают' разные непредвиденные ситуации, нарушающие запланированный ход производства и требующие принятия оперативных решений. Эти ситуации возникают обычно из-за аварий, геологических осложнений при бурении (уходы циркуляции, обвалы и т. п.), неожиданного выхода из строя бурового оборудования и породоразрушающего инструмента и т.п.

По функциональному назначению устройства, предназначенные для контроля и управления процессом бурения скважин, можно подразделить на средства наземного контроля параметров режима углубления скважин; средства автоматического регулирования подачи долота; средства оперативной оптимизации процессов углубления скважин; системы диспетчерского телеконтроля и управления буровыми процессами; средства сбора и передачи технологической информации для последующей обработки и использования.

Разработаны и применяются устройства, позволяющие оптимизировать отдельные параметры режима бурения, а также комплексные системы управления процессом бурения (углубления) скважин на основе использования средств автоматики, телемеханики и ЭВМ. К ним относятся системы типов ПРБ-2 «Поиск», СКУ-2 «Эксперимент» и др.

Рассмотрим некоторые из них.

Конструкторским бюро ПО «Саратовнефтегаз» разработан прибор режима бурения ПРБ-2 «Поиск» для определения оптимальной осевой нагрузки на долото в процессе турбинного бурения, а также рационального времени работы долота на забое но данным измерения механической скорости проходки и эффективной осевой нагрузки в течение рейса. Прибор состоит из четырех следующих основных узлов: измерительного блока, датчика нагрузки, выносного пульта управления, датчика проходки. По схеме прибор разделен на две части, а именно: схема определения оптимальной нагрузки на долото и схема определения механической скорости проходки.

Система контроля и оптимального управления процессом бурения СКУ-2, разработанная ВНИИТнефтыо совместно с Куйбышевским политехническим институтом, предназначена для бурения вертикальных скважин глубиной до 3000 м турбинным способом и представляет собой комплекс информационно-измерительных устройств, выдающих бурильщику в ходе бурения минимум информации, необходимый для управления проводкой скважины в заданном режиме.

Система обеспечивает следующее: визуальный контроль и запись на диаграмме веса бурильной колонны; визуальный контроль осевой нагрузки на долото, проходки, крутящего момента и давления в нагнетательной линии буровых насосов; выдачу бурильщику предупреждающих сигналов при опасном увеличении крутящего момента и остановке турбобура. Кроме того, система может выдавать бурильщику сигналы о целесообразности повторения поиска эффективной нагрузки на долото из-за изменения условий его работы или подъема долота в связи с выходом из строя его опор, или значительным износом вооружения.

Передачу параметров режима бурения на расстояние широко используют как при помощи проволочной, так и беспроволочной связи. Это позволяет па диспетчерских пунктах (участках) оборудовать специальные пульты, па которых монтируют показывающие и регистрирующие приборы параметров режима бурения каждой буквой. Диспетчер (инженер участка) имеет возможность круглосуточно следить за работой буровых и при необходимости незамедлительно вносить нужные коррективы в процесс проводки скважины.

Телеметрия забойных параметров при бурении скважин - решающий фактор в создании автоматической системы управления процессом бурения. В результате отечественных и зарубежных работ создано большое количество приборов для контроля забойных параметров (под забойными параметрами понимается напряженное состояние бурильной колонны, скорость вращения долота, температура и давление на забое скважины, местоположение ствола скважины в пространстве и т. п.). При этом для связи с поверхностью используют разные виды связи, как-то;

1) электропроводный с помощью встроенной в колонну труб линии связи;

2) беспроводные с передачей электрического сигнала по бурильной колонне и горным породам и передачей гидравлических импульсов по промывочной жидкости, заключенной в бурильной колонне;

3) механический по телу бурильной трубы.

Существуют два принципиальных метода передачи сигнала с забоя по каналам связи непрерывный и дискретный. Более удобным и надежным в практических целях считается второй. Все большее признание находит идея создания автономного забойного двигателя с одновременной регистрацией забойных параметров.

Для телеконтроля комплекса параметров процесса бурения скважин электробурами и состояния двигателей электробуров разработано несколько систем. В этих системах передача телеметрических сигналов в скважине осуществляется по токоподводу электробура. Наибольшее распространение получила телеметрическая система СТЭ, разработанная Харьковским СКТБЭ.

Устройства для выбора оптимальных параметров режима бурения. Как показала практика, из-за разнообразия условий проводки скважин и множества переменных, от которых зависят показатели, невозможно даже при помощи ЭВМ заранее абсолютно точно рассчитать и установить значение параметров, отвечающих оптимальному режиму. В любом случае в процессе бурения приходится корректировать расчетные параметры режима бурения применительно к конкретным условиям. Эта корректировка зависит от индивидуальных способностей бурильщика и его квалификации. Для того чтобы помочь бурильщику в принятии окончательных решений, разработаны и используются (особенно за рубежом) устройства для управления буровыми операциями с помощью ЭВМ (персональные). Аппаратура и датчики, размещенные в разных пунктах буровой установки, обеспечивают ЭВМ исходными данными, которые необходимы для оценок. Обрабатывая полученную информацию, ЭВМ выдает прогноз проходки на долото до его износа, прогноз времени работы долота до его износа, оптимальную нагрузку на долото, оптимальную частоту вращения долота, а также другие рекомендации по проводке скважины.

1.11 Подача инструмента

Условия подачи инструмента и погружения долота. Под подачей инструмента надо понимать его вертикальное перемещение на поверхности, которое осуществляется опусканием ведущей трубы в ротор на некоторую величину в результате ослабления (оттормаживания) тормоза лебедки. Под погружением долота следует понимать глубину внедрения долота в породу, происходящего под влиянием подачи инструмента.

Необходимо различать величину подачи, производимой сверху бурильщиком или автоматом, и глубину погружения долота в породу, так как колонна бурильных труб не абсолютно жесткая система и испытывает (в зависимости от возникающих в ней усилий) упругие деформации, компенсирующие разницу между подачей и глубиной погружения долота. Таким образом, погружение долота всегда меньше подачи инструмента и в то же время любое погружение долота происходит только в результате подачи инструмента. В этом органическая связь И принципиальное отличие этих двух понятий.

Подача инструмента, осуществляемая бурильщиком, должна быть плавной, непрерывной и обеспечивать такое давление долота на забой, которое превышало бы сопротивляемость горных пород разрушению и создавало наиболее эффективную скорость их разбуривания. Инструмент подается при помощи подъемного механизма (буровая лебедка), оборудованного мощным тормозным устройством и талевой системой.

Механическая подача долота в бурении. Автоматизация и механизация буровых работ, облегчая труд и увеличивая безопасность, приобретает особое значение в связи с увеличением глубин, мощностей буровых двигателей и внедрением фиксированных режимов бурения.

В большинстве случаев передача веса инструмента на забой скважины проводится бурильщиком вручную. Бурильщик должен хорошо знать условия бурения в данном районе и в соответствии с этим регулировать подачу инструмента. Выдержать равномерность подачи при помощи тормоза лебедки чрезвычайно трудно. Ручная подача очень утомляет бурильщика, так как ему приходится одновременно внимательно следить за измерительными приборами, напрягать зрение, слух и, держась за ручку тормоза, по физическому ощущению судить о характере работы долота на забое. Мастерство бурильщика-это квалификация физической натренированности, что постигается годами и требует особых физических и психических данных.

Равномерная подача в пределах заданного давления на забой достигается механизированной подачей. При этом должны быть выполнены следующие основные требования.

1. Скорость подачи инструмента должна устанавливаться автоматически в соответствии с крепостью проходимых пород и степенью износа долота.

2. Скорость подачи должна плавно регулироваться в широких пределах от нескольких десятков метров в 1 ч при бурении в мягких до нескольких сантиметров в крепких породах.

3. При остановке гидравлического забойного двигателя, а также при значительных перегрузках бурового двигателя должен быть предусмотрен реверс системы - подъем долота с забоя.

4. Автомат должен быть прост и надежен в эксплуатации. Все известные системы устройств для подачи долота (УПД) можно подразделить на следующие основные группы:

1) автоматы подачи, работающие в зависимости от значения выделяемой на бурение мощности;

2) автоматы подачи, работающие в зависимости от натяжения талевого каната (нагрузки на долото);

3) регуляторы подачи, осуществляющие равномерную подачу инструмента (регуляторы отличаются от автоматов подачи тем, что у них отсутствует реверс бурильной колонны);

4) стабилизаторы веса, подающие инструмент при постоянной заданной величине осевой нагрузки на долото.

Известны несколько конструкций УПД. В качестве примера рассмотрим автоматический регулятор типа РПДЭ-3 (регулятор подачи электрический). Этот регулятор предназначен для поддержания режимов бурения нефтяных и газовых скважин гидравлическими двигателями и ротором (при бурении электробуром широкое применение получил автоматический регулятор типа БАР).

Регулятор подачи электрический обеспечивает поддержание заданной осевой нагрузки на долото (нагрузка задается бурильщиком с пульта управления); постоянную скорость подъема или подачи бурильной колонны (скорость задается бурильщиком с пульта управления).

Осевая нагрузка на долото Р измеряется с помощью электрического датчика 6 и передается на пульт управления 5, где сравнивается с величиной Рц, задаваемой бурильщиком (рис 8.19). Разность сигналов АР поступает на усилители, установленные в станции управления /. Усилители действуют на обмотку возбуждения мотор-генератора 2, вращаемого асинхронным электродвигателем, питающимся от системы электроснабжения буровой. Генератор 2 питает двигатель постоянного тока 3, установленный на приводе редуктора 4 и соединенный через цепную передачу и муфты с подъемным валом лебедки.

Рис. 8.19 Схема регулятора подачи РПДЭ-3

Рис. 8.20 Схема стабилизатора веса СВМ

Режим поддержания заданного значения скорости подачи (или подъема) бурильной колонны может применяться для проработки скважины, аварийного подъема бурильного инструмента при отказе главного привода и т. п. Автоматическое поддержание заданной осевой нагрузки на долото может осуществляться при помощи стабилизаторов веса. В качестве примера рассмотрим устройство стабилизатора веса типа СВМ (конструкция ВНИИБТ). СВМ можно устанавливать на буровых лебедках при наличии пневмосистемы с давлением воздуха 0,6-0,9 МПа. СВМ (рис. 8.20) состоит из исполнительного пневматического поршневого механизма 5, соединяемого с рукояткой ленточного тормоза буровой лебедки; пульта управления 4 с электроконтактным манометром и рукоятками для установки осевой нагрузки на долото и подачи инструмента за один импульс; механизма обратной связи 2, соединяемого с барабаном лебедки 1 с помощью фрикционного ролика; соединительного электрического кабеля.

Перед включением СВМ в работу по шкале прибора на пульте управления задается величина осевой нагрузки на долото, которую необходимо поддерживать в процессе бурения. СВМ осуществляет импульсную подачу бурильной колонны, прерывая или возобновляя ее в процессе бурения, если фактическая нагрузка на долото отличается от заданной на величину более чем на ± 3 кН по гидравлическому индикатору веса 3. При необходимости бурильщик может в любой момент затормозить лебедку простым нажатием на тормозную рукоятку и тем самым вывести СВМ из действия. Стабилизаторы веса полностью не решают вопросов автоматизации, но зато позволяют облегчить труд бурильщика.

Рис. 8.21 Схема работы забойного механизма подачи: а - в заряженном состоянии; б - с полностью вышедшим штоком; в вновь заряжен

Забойные устройства для подачи долота. Проблема автоматизации глубокого бурения может быть разрешена также переносом регулирующего и исполнительных механизмов на забой. Над созданием забойных УПД усиленно работают у нас и за рубежом. Забойные УПД должны обеспечить регулирование параметров режима бурения и сделать его мало зависящим от сил трения, что особенно важно при проходке глубоких и искривленных скважин. Простейшим регулятором такого типа является забойный механизм подачи (ЗМП), который представляет собой гидравлический поршневой механизм (рис. 8.21).

Во время рейса с ЗМП осевая нагрузка остается постоянной. Если нагрузку необходимо изменить, нужно либо изменить длину УБТ, либо применить ЗМП с другим сечением поршня. ЗМП можно использовать при бурении скважины, начиная с глубины 50 м, т. е. с момента, когда в скважину под ротор можно спустить турбобур с долотом и навернутым сверху ЗМП. Это особенно важно при бурении крепких пород и с самого начала необходимо создавать большие осевые нагрузки.

Выводы

Под режимом бурения понимается определенное сочетание осевой нагрузки (давление) на долото, частоты вращения долота, количества и качества прокачиваемого бурового раствора. Сочетание этих параметров, позволяющее получить наиболее высокие качественные и количественные показатели бурения, называется рациональным (или оптимальным) режимом бурения. Режимы, применяемые при бурении с отбором керна, бурении в неблагоприятных геологических условиях и т.п., называются специальными.

Механическая скорость проходки зависит от величины дифференциального давления. Давление столба бурового раствора (гидростатическое давление) прямо пропорционально его плотности.

С увеличением скорости истечения бурового раствора из долотных насадок улучшается очистка забоя скважины и, как следствие, возрастает механическая скорость бурения.

С увеличением частоты вращения долота механическая скорость растет до критической (максимальной) величины, а затем снижается. Каждому классу пород соответствуют свои критические частоты вращения долота.

Изменение осевой нагрузки на долото приводит к изменению показателей его работы.

В роторном бурении параметры режима бурения не зависят друг от друга. При бурении гидравлическим забойным двигателем параметры режима бурения взаимосвязаны между собой, изменение одного из них приводит к изменению остальных. Основными способами бурения в нашей стране считаются гидравлический забойными двигателями и роторный, а в США-роторный способ.

При бурении роторным способом оптимальный режим бурения включает в себя сочетание наивыгоднейших значений каждого из параметров режима бурения. При роторном бурении могут возникать значительные вибрации бурильной колонны. В связи с этим следует рассчитывать критическую частоту вращения бурильной колонны.

Бурение турбобурами - наиболее распространенный вид бурения в нашей стране. Турбобур - забойный гидравлический двигатель, в рабочих колесах которого гидравлическая энергия бурового раствора, движущегося под давлением, превращается в механическую энергию вращающегося вала, связанного с долотом. Для каждого типа турбобура строится рабочая характеристика по которой подбирается режим его работы при данной подаче буровых насосов.

Различные условия, в которых работают турбобуры, привели к необходимости создания конструктивных разновидностей турбобуров. Одним из главных недостатков турбобуров считается их быстроходность. Это ограничивает возможность их использования в сочетании с долотами для низкооборотного бурения (до 200 об/мин). Редукторный турбобур лишен этого недостатка.

Широкое распространение получило бурение винтовыми (объемными) забойными двигателями. Винтовые двигатели обладают большей моментностью и удельной мощностью, чем турбобуры. Главными особенностями характеристики винтового двигателя считаются пропорциональность частоты вращения расходу бурового раствора, а также линейная зависимость перепада давления на двигателе от момента на долоте.

Электробур-буровая забойная машина, приводимая в действие электрической энергией и сообщающая вращательное движение породоразрушающему инструменту. Частота вращения и мощность электробура не зависят от количества и свойств бурового раствора. Наиболее рациональные области применения электробуров следующие: бурение глубоких скважин с применением утяжеленных буровых растворов, бурение наклонно направленных скважин, бурение разветвленно-горизонгальных скважин, бурение скважин с применением газообразных агентов и бурение опорно-технологических скважин.

Разрабатывать рациональные (оптимальные) параметры режима бурения лучше всего на основании проводки опорно-технологических скважин. По результатам обработки данных бурения опорно-технологических скважин составляют режимно-технологическую карту для бурения на данной площади. Проект на строительство скважины и режимно-технологическая карта составляют основу для управления процессом бурения. Для определения рационального режима промывки скважины составляют гидравлическую программу бурения скважины. Иногда для определения параметров режима бурения пользуются эмпирическими зависимостями.

Текущий контроль за параметрами режимов бурения осуществляют контрольно-измерительными приборами индикатор веса, манометр и тахометр. Разработаны и применяются устройства, позволяющие оптимизировать отдельные параметры режима бурения, а также комплексные системы управления процессом бурения (углубления) скважин на основе средств автоматики, телемеханики и ЭВМ.

Существуют понятия подача инструмента и подача долота. Под первым понимают вертикальное перемещение инструмента на поверхности, под вторым глубину внедрения долота в породу, происходящего под влиянием подачи инструмента. Для автоматизации и механизации буровых работ используют различные устройства для подачи долота (УПД).

Размещено на Allbest.ru