Методика оценки различных методов бурения
Для бурения неглубоких скважин в мягких и рыхлых породах используется несколько десятков типов оборудования, основанного на различных технологических методах. Получило распространение для этих целей вращательное колонковое бурение с прямой и обратной промывкой и с продувкой воздухом, вращательное бурение с транспортировкой разрушенной породы шнеками и рейсовым инструментом, вибрационное, ударно-канатное бурение забивными стаканами, бурение методом задавливания и др.
Однако в настоящее время недостаточно разработаны объективные принципы сравнения различных методов бурения, а следовательно, и станков, созданных для их осуществления. Часто такое сравнение производится без учета характера геологического разреза, в котором бурятся скважины, конструктивных особенностей и параметров применяемого оборудования и инструмента. He полностью учитывается при этом приводная мощность и весовая характеристика станков, глубина и диаметры скважин и т. д. He проводится и сравнительный анализ эффективности бурения различными методами при изменении глубины скважин в сопоставимых геологических условиях, что необходимо для правильной оценки и рационального выбора метода и оборудования.
В данной работе рассматриваются прежде всего такие особенности и показатели известных методов бурения; которые позволяют подойти на базе уже известных и апробированных представлений к сравнительной оценке их эксплуатационно-технологических возможностей применительно к различным геологическим условиям и требованиям определенных видов работ.
При оценке различных технологических методов следует исходить из следующих критериев:
а) возможности эффективного бурения скважин определенной глубины и диаметра в породах различного литологического состава;
б) возможности создания оборудования с приемлемой для данных условии приводной мощностью и необходимой транспортабельностью;
в) возможности достижения конечной цели бурения — качественного опробования или получения устойчивых стенок скважины.
В качестве одного из основных показателей для оценки того или иного метода могут быть приняты рейсовые скорости бурения, достигнутые в одних и тех же породах в зависимости от глубины и диаметра скважины и конструктивно-технологических особенностей инструмента и оборудования.
Величина рейсовой скорости и ее изменение под влиянием различных внешних факторов могут характеризовать технологические возможности метода в данных условиях, поскольку отражают различные стороны процесса бурения скважины.
Сравнительный анализ известных методов бурения осложняется тем, что существующие классификации рыхлых и мягких отложений по буримости разрабатывались применительно к конкретным, методам и не могут служить базой для их сравнения.
Поэтому технологические возможности различных методов бурения следует рассматривать применительно к группам пород, объединяемых определенными и структурными, и текстурными особенностями и физико-механическими свойствами.
Для оценки зависимости рейсовой скорости vп от глубины скважин Н при бурении в различных условиях на основании обработки результатов хронометражных наблюдений за работой буровых станков были построены графики vп=f(H), которые позволили установить, что практически во всех случаях происходит снижение рейсовой скорости с глубиной.
Полученные семейства кривых по своему характеру соответствуют закону, выраженному
где y — переменная величина, зависящая от изменения х; х — независимая переменная величина; а — коэффициент, характеризующий величину у при x=0; а — коэффициент, характеризующий степень изменения у по мере изменения х или декремент затухания; е — основание натурального логарифма.
Такая зависимость носит название экспоненциальной и, как известно, характерна для многих затухающих процессов в природе и технике.
Применительно к изменению vн=f(H) формула (1) имеет следующий вид:
где vн — рейсовая скорость, соответствующая глубине Н; v0 — величинa первоначальной рейсовой скорости; b — декремент затухания рейсовой скорости с глубиной.
Величины коэффициентов v0 и b для каждой конкретной кривой определялись следующим образом.
1. На графике зависимости рейсовой скорости от глубины скважины, построенном по хронометражным данным и соответствующем определенной группе пород, типу и диаметру бурового инструмента, выбирается несколько значений рейсовых скоростей и вычисляются их логарифмы.
2. Строится график зависимости логарифма рейсовой скорости от глубины скважин [lg vн = f(Н)]. который представляет собой прямую, отсекающую по оси ординатlg v0.
Коэффициент b находится из выражения b=tga/lne, где а — угол наклона упомянутой прямой к оси абсцисс.
В соответствии с установленным законом хронометражные кривые экстраполируются таким образом, чтобы падение рейсовой скорости для данного метода было прослежено полностью по всей скважине.
Для оценки правомерности установленных зависимостей важно знать степень точности, экспериментальных наблюдений.
Такое представление может быть получено, в первую очередь, путем определения степени вариаций опытных данных относительно их средних значений. Известно, что
где оx — среднее квадратичное отклонение; х — среднее взвешенное.
Среднее квадратичное отклонение может быть найдено по формуле
где n — число измерений; xl — результаты измерений.
Коэффициент вариаций определяется для каждого 5-м интервала (табл. 14).
Для этого все наблюдения по определенному методу были распределены по признаку бурения в сыпучих (I—II группа) либо в связных (III—IV группа) породах вне зависимости от диаметра скважины, который в рассматриваемых пределах влияет на изменение скорости значительно меньше, чем глубина.
Наибольшие их значения соответствуют методам, при которых углубление производится малыми рейсами и связано с большим объемом спуско-подъемных операций (ударно-забивное бурение с отрывом стакана от забоя, комбинированное бурение, ударно-забивное бурение без отрыва от забоя).
При вибробурении, когда длина рейса больше, коэффициент вариации несколько ниже. Минимальное значение коэффициента вариаций получено при шнековом бурении.
Отмечается зависимость точности результатов наблюдений от механических свойств пород, что связано, видимо, со скоростью бурения в них, устойчивостью стенок скважины и полнотой подъема керна с пробуренного интервала.
Так, при бурении в сыпучих породах, где при ударном, вибрационном и комбинированном методах скорости меньше, а стенки скважины менее устойчивы, чем в связных породах, и керн частично теряется при подъеме снаряда, точность данных, как правило, при этом ниже.
Отмеченное явление объясняется увеличением влияния случайных ошибок при измерениях на точность наблюдений при низких скоростях бурения, а также появлением некоторых операций, не предусмотренных нормальным процессом проходки скважины.
Точность наблюдений снижается при прочих равных условиях и по мере увеличении глубины скважин, что, очевидно, также связано с уменьшением скорости, так как абсолютная величина случайных ошибок при этом примерно сохраняется, а величина их относительно уровня средних скоростей возрастает.
В связи с этим более интенсивному снижению скорости, имеющему место при вибробурении и ударно-канатном бурении с отрывом от забоя, соответствует и более низкая точность наблюдений.
Задаваясь Квар, можно отнести проведенные измерения к определенному классу точности.
В торной промышленности принято различать пять классов точности показателей и расчетов.
Проведенные исследования могут быть отнесены в основном к III—IV и реже к V классу точности. Это можно считать допустимым для объективной сравнительной оценки методов бурения, учитывая многообразие условий их применения.
Наряду с точностью наблюдения важно оценить, в какой мере на величину рейсовой скорости влияет глубина и насколько велико влияние прочих случайных факторов, т. е. какова теснота связи между скоростью и глубиной. Характерные результаты хронометражных наблюдений для каждого метода группировались по наиболее близким условиям с учетом физико-механических свойств пород (связные или сыпучие). Некоторые из них приведены на рис. 1. а, б, в и свидетельствуют о несомненной связи между аргументом H и функцией vн.
В результате последующей обработки установлено, что снижение рейсовой скорости связано преимущественно с увеличением глубины скважины (табл. 15).
Даже при бурении забивными стаканами в сыпучих породах, когда влияние случайных факторов особенно велико, рейсовая скорость на 52% зависит от глубины скважины. Особенно ярко выражена связь рейсовой скорости с глубиной скважины при бурении виброметодом в плотных глинистых породах, достигающая 65%. При комбинированном и шнековом бурении в устойчивых глинистых и сравнительно устойчивых песчаных породах теснота связи также достигает 70—80%.
Таким образом, результаты определения связи, аргумента и функции в зависимости vн=f(H) дают все основания для того, чтобы в дальнейшем вытекающие из нее закономерности были положены в основу оценки и сравнения различных методов бурения.
Зная характер изменения рейсовой скорости, легко найти и другие интересующие нас показатели.
Известно, что время T бурения на глубину h при переменной скорости можно найти интегрируя выражение
в определенных пределах глубины, т. е.
Тогда затраты времени на бурение скважины начиная с пуля до H м будут определяться по формуле
Зная затраты времени на бурение скважины или отдельных ее интервалов, в определенных породах при одном диаметре можно найти и истинное значение средней рейсовой скорости
Однако для сравнения различных методов и показателей производительности специализированного оборудования необходима учитывать величину установленной мощности, а также эффективность ее использования и рейсовую скорость, приведенную к единице мощности.
Приведение рейсовых скоростей бурения различными методами в породах одной группы к виду, пригодному для сопоставления, может быть осуществлено с учетом мощности двигателя станка, которая рассматривается как предельная.
Для этой цели вводится понятие рейсовой скорости, приведенной к 1 л. с., или «приведенной скорости», которая может быть получена из выражения
где N — мощность двигателя в л. с
Анализ «приведенных скоростей» позволяет поставить сравниваемые методы в сопоставимые условия и выявить их действительные возможности.
Подставлена в выражение (7) значение vн, получим
Для средней приведенной рейсовой скорости это выражение выглядит следующим образом:
Для сравнительной оценки оборудования целесообразно ввести также понятие удельной энерговооруженности, которая для однородных условий может быть получена путем деления установленной мощности на соответствующую глубину скважины в метрах
и понятие металлоемкости.
Под металлоемкостью имеется в виду вес станка, приходящийся на 1 м скважины номинальной глубины
где M — металлоемкость станка в кг/м; Q — вес станка в кг; H — номинальная глубина скважины в м.
Следовательно, для объективного анализа и сопоставления различных методов бурения, а также для количественного выражения их наиболее существенных положительных и отрицательных качеств необходимо привлечь и рассмотреть в сравнении следующие понятая: изменение рейсовой скорости, среднюю рейсовую скорость, приведенную рейсовую скорость, энерговооруженность и металлоемкость, а также затраты времени на бурение.
О специфике каждого метода и особенностях оборудования можно судить также по сравнительному анализу балансов затрат рабочего времени при бурении скважин как оборудованием, основанным на применении какого-либо одного технологического метода, так и оборудованием, основанным на различных методах.
Указанные принципы положены в основу анализа и сравнения рассматриваемых методов бурения.
Анализ оборудовании проводится на основе оценки его соответствия требованиям технологических методов бурения.
Для более полного выявления обусловленных этими требованиями специфических особенностей параметров технической характеристики и конструкции оборудования того или иного типа ниже рассматриваются не только серийно выпускаем с станки и установки, но и такие, которые были созданы в вид отдельных образцов или небольших партий. Детальное описание приводится только по серийно выпускаемому и наиболее перспективному оборудованию.
