содержание   ..  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  ..

§ 1. ОБРАЗОВАНИЕ И СТРОЕНИЕ ЗАБОЙНОГО ОСАДКА

Образование забойного осадка, состоящего из выбуренной породы, вызвано накоплением ее на забое из-за недостаточной очистки потоком бурового раствора, уплотняющего действия перепада давления, агрегатирования частиц на забое при их глинизации.
 

О строении забойного осадка трудно судить по шламу, выносимому буровым раствором на дневную поверхность. По данным

Э. А. Акопова, фракций размером 40 мм и более составляют большую часть выбуренной породы [61

По данным М. У. Муратова (УфНИИ), отношение фракционного состава шлама в желобной системе и на забое для алевролитов, аргиллитов и известняков средней плотности составляло 1/25, а для твердых известняков и аргиллитов — 1/60, в крепких породах эта разница еще больше и составляет 1/100—1/150 и более [59].

Многие специалисты считают, что наилучшая очистка забоя достигается при повышенных расходах промывочной жидкости, подаваемой на забой. В. С. Федоров показал, что рост технических показателей бурения наблюдается при удельной промывке забоя 0,043—0,050 л/с/см2; с увеличением подачи бурового раствора свыше 0,057—0,065 л/с/см2 проходка на долото практически не менялась [85].

При различных диаметрах долот, механических скоростей бурения и расходах бурового раствора коэффициент концентрации шлама на забое резко меняется (табл. 1).

Таблица I

Коэффициент концентрации шлама на забое (по данным УфНИИ)

Из табл. 1 следует, что с увеличением диаметра долота, а следовательно, и площади разрушения забоя при одном и том же расходе бурового раствора коэффициент концентрации шлама на забое возрастает.

Опытными работами ВНИИБТ установлено, что более 80% потока бурового раствора, достигающего долота, не доходит до забоя скважины и отражается от корпуса шарошек долота, попадая далее в затрубное пространство [451.
 

Значительную роль в очистке забоя играет частота вращения долота. Известно, что при 69—70 об/мин (роторное бурение) шарошечное долото пропускает в наддолотное пространство 80% шлама, поднятого струей бурового раствора с забоя. При увеличении частоты вращения до 670 об/мин и более 95% забойного шлама измельчается торцом лап долота, и в затрубное пространство непосредственно из-под долота проходит не более 5% забойного шлама [6]. Такое положение вызвано тем, что зазор долота (завес) составляет 1,5—Змм на сторону, через который не может пройти шлам, так как размеры превышают завес долота. Кроме того, вращение лап долота, сечение которых составляет около 50% сечения скважины, приводит к сепарации выбуренной породы, поэтому увеличение расхода бурового раствора в этом случае мало изменит совершенство и качество очистки призабойной зоны от шлама.

Концентрация шлама над завесом долота может привести к его заклиниванию, резкому снижению момента на долоте, передаваемого на забой, и снижению проходки на долото. Проходка снижается и при наличии на забое металлического скрапа — продуктов разрушения вооружения долот, их опор, а также металлических предметов, упущенных в скважину в процессе спуско-подъем-ных операций, проводимых в скважине [6].

Исследования Э. А Акопова показали, что в среднем па забое скважины накапливается от 0,2 до 2 кг металлического скрапа, а иногда и 40 кг, что значительно снижает проходку на долото и приводит к преждевременному его износу. В связи с этим рекомендуется периодическая очистка забоя от металлического скрапа шламоуловителями, трубными пауками, забойными гидравлическими ловушками, измельчение его торцовыми фрезерами и т. д. [6].

Таким образом, очистка забоя от выбуренной породы и металлического скрапа является необходимым технологическим приемом в бурении, поскольку от этого во многом зависит эффективность работы долота на забое, повышение проходки и механических скоростей бурения, определяющих темп углубления скважины.

Крупные фракции шлама на забое испытывают прижимающее воздействие, возникающее вследствие фильтрации бурового раствора через шламовую массу — забойный осадок. Однако если забойный осадок состоит из мелких частиц, то взаимодействие потока промывочной жидкости с частицами породы затрудняется. В настоящее время шлам удаляют с забоя двумя путями: первый — теоретически-экспериментальный, основанный на условии предельного равновесия или начального момента трогания отдельных частиц на забое; второй основан на промысловых экспериментах, когда удаленный с забоя шлам улавливается шламоуловителями (ШМУ), а забойный отбирается специальными трубными пауками и другими механическими устройствами.

Основой теоретического решения этой задачи являются работы Ньютона, позволяющие определить активную силу потока, стремящуюся сдвинуть выбуренную частицу вдоль направления действия потока бурового раствора, и пассивную силу, удерживающую ее на месте. Однако действие этих сил на выбуренную породу трактуют по-разному. Одни считают, что частицы породы в своем начальном движении в зависимости от их формы скользят по плоскости забоя. Другие полагают, что в начальный момент происходит не сдвиг частиц, а выворачивание или перекатывание их через некоторую точку опоры [45, 591. Сложность определения необходимой размывающей скорости потока промывочной жидкости для забойного осадка объясняется неясностью кинематической структуры потока на забое. Эти трудности усугубляются пульсацией скоростей, неоднородностью уплотнения шламового осадка на забое, формой и плотностью частиц, изменением режима турбулентности потока в призабойной части, связанностью осадка глинистыми частицами и т. д. [45].

При истечении бурового раствора из отверстий долота и в результате его вращения при бурении в потоке жидкости возникает пульсация, которая может воспринимать колебания 30—40 Гц. В результате на частицу действует поток, приводящий ее к вибрации. Вибрируя, выбуренные частицы резко снижают внешнее трение, ожижаются в результате вибрации, сдвигаются с места и уносятся потоком бурового раствора. Иногда эти процессы возникают спонтанно (скачкообразно). В первую очередь теряют равновесие те частицы, которые находятся на поверхности шламового осадка; они менее устойчивы и испытывают максимальное воздействие потока бурового раствора.