Технологические процессы, выполняемые при бурении скважин и их общая характеристика

Выполнение всех видов работ, связанных с сооружением скважин, производится по определенным технологическим схемам и в определенном режиме.

Технологическая схема определяет способ и порядок или последовательность выполнения тех или иных операций. Технологический режим характеризуется совокупностью определенных параметров процесса бурения скважин. К числу таких параметров относятся: скорость, время, сила и частота действий, определяющие интенсивность или напряженность процесса. Таким образом, под режимом бурения скважин следует понимать некоторое сочетание факторов или параметров, определяющих условия работы бурового снаряда, от рациональности подбора числовых значений которых зависит эффективность выполнения этого процесса.

К числу параметров режима бурения относятся: скорость вращения со, частота вращения n; частота w и сила ударов P; величина усилия подачи (нагрузка на забой) G0, расход очистного агента Q и скорость его циркуляции vц.

Параметры режима бурения подбирают в зависимости от определенных факторов, основными из которых являются: характер и свойства пород (твердость, абразивность, трещиноватость, устойчивость и др.); глубина скважины; состояние ствола скважины; конструкция породоразрушающего инструмента и его качество; техническая характеристика бурового оборудования; назначение скважины или цель бурения и др. С учетом всех этих данных режим бурения может быть оптимальным, рациональным или специальным.

Оптимальный режим бурения характеризуется самым благоприятным сочетанием числовых значений параметров, подбираемых, исходя из современных достижений науки и техники, и обеспечивающих максимальную скорость углубки и производительность труда. Такой режим может быть осуществлен, очевидно, на опытно-показательных или лабораторных установках, так как требует повышенных затрат материальных средств и высокой квалификации бурового персонала.

Рациональным следует считать такой режим бурения, при котором числовые значения его параметров подбирают с учетом возможностей, имеющихся в наличии технических средств и породоразрушающих инструментов, которые обеспечивают получение наиболее высоких показателей в данных конкретных условиях при минимальных затратах средств. Рациональные режимы далеко не всегда соответствуют оптимальным.

Специальный режим определяется значениями параметров, которые подбирают с учетом необходимости получения высоких качественных показателей, подчас в ущерб количественным, или наоборот. В этом случае выбираемые числовые значения параметров режима бурения могут быть нерациональными с точки зрения получения высокой производительности труда и экономической эффективности. К специальным режимам прибегают, например, при бурении на слабоустойчивые полезные ископаемые с целью повышения процента выхода керна и его качества, когда снижаются частота вращения, осевая нагрузка и интенсивность промывки и ограничивается величина углубки за рейс или при борьбе с искривлением скважин и в других случаях.

При сооружении геологоразведочных скважин выполняется большое количество технологических операций или видов работ: строительно-монтажные работы (СМР); забуривание и оборудование устья скважины (ЗУС); подготовительные операции к бурению (ПОБ); спуско-подъемные операции (СПО); операции, связанные с углубкой скважины (ОУС), с отбором керна (ООК), с закреплением стенок скважин (ОЗС), с направленным бурением (ОНБ), с исследованиями в скважине (ОИС), с ликвидацией аварий (OЛA), с демонтажом оборудования (ОДО), ликвидацией скважин (ОЛС), с перевозкой бурового оборудования (ОПО).

По роли или значению в технологической схеме сооружения скважин все операции можно подразделить на производительные (ПО) и непроизводительные (НПО). Время, затрачиваемое на выполнение этих операций, составляет баланс рабочего времени сооружения скважины Т.

К числу производительных операций или процессов относятся: собственно бурение или углубка скважины (УС); вспомогательные операции, связанные с процессом углубки скважины (ВО); спуско-подъемные операции (СПО); очистка скважины от шлама или оставшегося на забое керна (ОЧС); закрепление стенок скважин (ОЗС); операции, связанные с направленным бурением (ОНБ). К непроизводительным операциям относится процесс ликвидации аварий и осложнений (ОЛА, ОЛО); осмотр и смазка оборудования, мелкий ремонт. В общий баланс рабочего времени, затрачиваемого на выполнение ПО и НПО включается еще и время простоев по разным причинам tпр. Выполняемые в процессе сооружения скважин операции объединяются в циклы — малый и большой.

Малый цикл или рейс включает операции, связанные непосредственно с углубкой скважины и выполняемые в течение одного рейса (периода времени). К этим операциям относятся: подготовка бурового снаряда к спуску; спуск снаряда в скважину; приработка ПРИ; собственно бурение; перекрепление шпинделя; наращивание бурильных труб; заклинивание и срыв керна; подъем снаряда и извлечение керна из колонковой трубы. Характеризуется малый цикл или рейс продолжительностью в часах или в станко-сменах и величиной углубки скважины за цикл (рейс).

В большой цикл входят все операции, связанные с полным сооружением скважины, начиная со строительно-монтажных работ и кончая ликвидацией скважины.

От рациональности или уровня выполнения всех операций в малом и большом циклах зависит производительность труда или эффективность буровых работ, оцениваемая целым рядом техникоэкономических показателей (ТЭП), к которым относятся: скорости. выполнения тех или иных операций или процессов, связанных с сооружением скважин (механическая, техническая, коммерческая, цикловая и парковая); величина углубки за рейс lp и на один ПРИ — lи; расход породоразрушающих элементов (алмазов, твердых сплавов, дроби и др.) на 1 м пробуренной скважины qa, кар/м или qтс, г/м.

Механическая скорость бурения vм (м/ч), характеризующая скорость продвижения забоя за время чистого бурения, определяется выражением

где lt — величина углубки за время чистого бурения tч.б, м; tч.б — время чистого бурения, ч.

Учитывая, что в течение времени величина механической скорости уменьшается вследствие затупления ПРИ, механическая скорость может быть мгновенной vм.м — углубка за короткий промежуток времени и средней vм.р за более продолжительное время, например за рейс. Кроме того, выделяют начальную механическую скорость vм.н или v0 и конечную vм.к.

Техническая скорость бурения характеризует скорость углубки скважины в малом или большом циклах ее сооружения с учетом затраты времени только на производительные операции. В соответствии с этим различают техническую скорость рейсовую (в малом цикле) и общую (в большом цикле).

Техническая рейсовая скорость бурения vт.р (м/ч) определяется выражением

где lp — углубка за рейс, м; tп.о.б — время, затраченное на выполнение производительных операций в процессе бурения в течение рейса, ч; tп.о.б = tч.б + tв.о + tСПО; tч.б — время чистого бурения, ч; tв.о — время на вспомогательные операции, ч; tСПО — время на спуско-подъемные операции, ч.

Техническая общая скорость бурения vт.о.б (м/ст.-мес) определяется выражением

где L — длина ствола пробуренной скважины, м; К — коэффициент, эквивалентный 1 ст.-мес и зависящей от числа рабочих дней в месяце, продолжительности смены и числа смен в сутках, ч (при 30 рабочих днях, трехсменной работе и восьмичасовой смене К = 30х3х8 = 720 ч); Tп.о.б — общее суммарное время, затраченное на выполнение производительных операций при бурении всего ствола, ч;

Tч.б — общее время на чистое бурение, ч; TСПО — общее время на спуско-подъемные операции, ч; Tв.о — общее время на вспомогательные операции, ч; Tч.с — общее время на чистку скважины, ч; Tз.с — общее время на закрепление стенок скважины, ч; Tн.б — общее время на операции, связанные с направленным бурением, ч.

Цикловая скорость характеризует скорость углубки скважины с учетом затрат времени на производительные и непроизводительные операции, а также времени простоев как в малом, так и в большом циклах.

Цикловая рейсовая скорость бурения vц.р (м/ч) выражается формулой

где lp — углубка за рейс, м; tп.о — время, затраченное на производительные операции, ч; tн.п.о — время на непроизводительные операции, ч; tпр — время простоев в малом цикле, ч.

Скорость сооружения скважины в большом цикле определяется с учетом выполнения всех видов работ, включая монтажно-демонтажные и ликвидационные, и определяется формулой

где vц — цикловая скорость сооружения скважины, м/ст.-мес; L — длина пробуренной за большой цикл скважины, м; К — коэффициент, эквивалентный 1 ст.-мес, ч; Tп.о — суммарное время на производительные операции в процессе бурения скважины, ч; Tн.п.о — время на непроизводительные операции, ч; Tм.д.о — время на монтажно-демонтажные работы, ч; Tл.с — время на ликвидацию скважины, с; Tпр — суммарноe время простоев в большом цикле, ч.

Парковая скорость является показателем средней скорости сооружения скважины каждой буровой установкой, имеющейся на балансе той или иной производственной единицы (партии, экспедиции, объединения) в период одного календарного года, и выражается формулой

где vп — парковая скорость сооружения скважин, м/ст.-мес; Lо.б — общая длина пробуренных в течение года скважин (объем бурения), м; Nср — среднегодовое число буровых станков, имевшихся на балансе производственной единицы, шт.; n — среднегодовая продолжительность эксплуатации бурового парка, мес.

Как видно из рассмотренного, основными показателями эффективности процесса бурения скважин являются механическая и техническая рейсовая скорости бурения, которые зависят от многих факторов и, прежде всего, от геолого-технических условий бурения: механических свойств пород, уровня технических средств и параметров технологических процессов. Все это определяет эффективность сооружения скважин, которая может быть выражена количественными, качественными и экономическими показателями.

Количественные показатели характеризуют скорость выполнения отдельных процессов (операций) или сооружения скважин в целом и определяют в конечном счете производительность труда в бурении.

Качественные показатели характеризуют степень выполнения поставленных задач при бурении скважин, с учетом того, что разведочные скважины должны удовлетворять определенным требованиям методики разведки, основными из которых являются: пересечение пластов пород или залежей полезных ископаемых в заданных направлениях и по определенной системе при возможно меньшем объеме затрат на 1 т разведанных запасов полезного ископаемого; бурение скважин по наиболее рациональной траектории с допустимой степенью отклонения от проектного профиля при наиболее благоприятном расположении устьев скважин; получение представительных образцов пород или полезных ископаемых (керна), имеющих пространственную привязку.

В общем виде качественными показателями служат выход керна (%) и интенсивность искривления скважины i (градус/м).

Экономические показатели характеризуют стоимость сооружения скважины в целом или 1 м ствола пробуренной скважины.

Анализируя рассмотренные показатели, можно выявить основные факторы, определяющие уровень выполнения тех или иных операций и эффективность сооружения скважин в целом и пути ее повышения.