автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Управление процессом очистки забоя бурящейся скважины

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО ^НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ «БУРОВАЯ ТЕХНИКА» - ВНИИБТ

\

На правах рукописи

Гусман Александр Моисеевич

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ОЧИСТКИ ЗАБОЯ БУРЯЩЕЙСЯ СКВАЖИНЫ

Специальность 05.15.10 - Бурение скважин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2000

Работа выполнена в Открытом Акционерном Обществе «Научно-Производственное Объединение «Буровая техника» - ВНИИБТ»

Научный консультант - доктор технических наук Б.А. Никитин

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор

Ю.Р.Иоанесян

Доктор технических наук, профессор

Ю.В.Вадецкий

Доктор технических наук, профессор

А.Г.Потапов

Ведущее предприятие - НК «Роснефть»

Защита состоится «06» июня 2000г. в 11 часов на заседании диссертационно! Совета Д 104.03.01 в ОАО НПО «Буровая техника» по адресу: 113114 г.Москва, у. Летниковская, 7-9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО НПО «Буровг техника» - ВНИИБТ.

Автореферат разослан «1 % »

Ученый секретарь диссертационного Совета,

Кандидат технических наук

Г.П. Чайковский

113103-6.7.0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

На современном этапе развития нефтегазовой промышленности приоритетное значение приобретает проблема использования резервов, заложенных в технологических процессах бурения скважин, с целью повышения технико-экономических и качественных показателей буровых работ за счет создания новых совершенных энергосберегающих технологий.

Значительную роль в этой проблеме играют вопросы промывки забоя бурящейся скважины, которые существенным образом влияют на эффективность работы буровых долот, рациональное использование гидравлической мощности, подводимой к забою, энергетику циркуляционной системы, загрузку и условия работы наземного оборудования, в первую очередь, буровых насосов, энергетику разрушения забоя.

Особая актуальность интенсификации процесса очистки забоя бурящейся скважины и оптимизации гидравлики буровых работ, что является единой проблемой, возникла в последние годы, когда повышение показателей работы шарошечных долот затормозилось. Это произошло как в нашей стране, так и в развитых в промышленном отношении странах по тем причинам, что потенциальные возможности, заложенные в современном гидромониторном шарошечном долоте в определенной степени исчерпаны.

Именно такое положение дел в долотостроении привело к изысканию новых путей в создании бурового породоразрушающего инструмента, а именно: к отказу от шарошечного долота в принципе и переход, или точнее, возвращение к безопорным инструментам, но в новом качестве, что представлено долотами типа СТРАТАПАКС и второй путь, предлагаемый автором, - это отказ от традиционной гидромониторной системы промывки шарошечного долота и создание новых схем промывки и новых технологических принципов реализации гидравлической мощности, подводимой к забою, и определение областей эффективности применения различных схем промывки забоя в зависимости от конкретных горно-геологических условий бурения.

В предшествующих работах считалось, что эффективность промывки забоя скважины зависит от расхода промывочной жидкости и возможностей применения гидромониторных долот при повышенных скоростях истечения жидкости из насадок. Считалось, что обеспечение достаточно высоких расходов и скоростей истечения жидкости практически гарантирует эффективное разрушение и очистку забоя, рациональную отработку буровых шарошечных долот. Считалось далее, что, если расход промывочной жидкости имеет ограничения, когда его повышение уже не дает положительных результатов, то повышение скорости истечения жидкости из насадок долот может ограничиваться исключительно возможностями энергетики циркуляционной системы и стойкостью насадок. Более того, многочисленные случаи неэффективности гидромониторных долот в целом ряде горно-геологических условий объяснялось, как правило, несовершенством применяемой технологии, недостаточными скоростями истечения или неэффективностью применения гидромониторных долот при высокооборотном бурении.

При этом схема промывки гидромониторного долота применялась во всех случаях, независимо от горно-геологических условий, условий и характеристик образующегося на забое шлама, его количества, типоразмера применяемых долот, параметров их вооружения и других факторов. В результате схема и энергетика промывки забоя не были связаны с условиями его разрушения, что обусловило

отсутствие серьезной научной базы выбора и проектировании схем промыв! буровых долот в зависимости от горно-геологических условий, типа вооружен!, размера и внешней конфигурации буровых долот.

Нерешенность этих фундаментальных проблем определила цели и зада«-настоящей работы.

Цель работы - повышение технико-экономических показателей бурения эффективности использования подводимой к забою гидравлической мощности : счет научно обоснованного выбора и проектирования гидравлических схем буровь шарошечных долот в зависимости от горно-геологических условий проводи скважин, типоразмера буровых долот и режимов промывки забоя.

Основные задачи работы

1. Исследование процесса очистки забоя бурящейся скважины в различнь горно-геологических условиях и определение относительного влияния на этс процесс очистки поверхности забоя, очистки призабойной зоны и очисти вооружения долота, выявление факторов, влияющих на каждый из указаннь частных процессов очистки и их воздействия на суммарные характеристик процесса очистки забоя в целом.

2. Исследование влияния природных и технико-технологических факторов, также схем промывки буровых шарошечных долот на эффективность протекани частных процессов очистки забоя и их относительного влияния на условия отработк буровых долот.

3. Исследование механизма протекания процессов очистки призабойной зоны вооружения долота в зависимости от основных технологических параметров, первую очередь, от расхода промывочной жидкости, скорости истечения жидкости и насадок, скорости вращения долота и количества шлама, поступающего призабойную зону для эвакуации при различных схемах промывки буровы шарошечных долот.

4. Определение наиболее эффективных схем промывки буровых шарошечны долот с точки зрения целенаправленного управления каждым их трех частны процессов очистки забоя применительно к конкретным горно-геологичесш условиям проводки скважин.

5. Определение рациональных режимов промывки забоя применительно выбранным схемам промывки буровых шарошечных долот и горно-геологически! условиям проводки скважин.

6. Разработка рекомендаций по выбору и проектированию схем промывю буровых долот в зависимости от их вооружения, размера и других конструктивны особенностей.

7. Разработка рекомендаций по геометрическим параметрам и конфигураци! буровых шарошечных долот с точки зрения их гидродинамического совершенств; применительно к задачам эвакуации шлама из зон долота и очистки его вооружени: от сальника.

8. Разработка методов управления процессами очистки забоя в зависимости о горно-геологических условий проводки скважин.

9. Разработка методических основ, методик и технических средств дл! исследования процесса очистки призабойной зоны от шлама и вооружения долот; от сальника для проведения сравнительной оценки различных схем промывки I типоразмеров долот с точки зрения эффективности протекания указанны: процессов.

10. Разработка математических моделей очистки призабойной зоны от шлама для долот с различными схемами промывки.

Методы исследования

Методы исследования выбирались и базировались на создании специально разработанных методик и экспериментальных установок, обеспечивающих изолированное и целенаправленное изучение процессов очистки призабойной зоны и вооружения долота, широких промысловых исследованиях и испытаниях буровых шарошечных долот с новыми схемами промывки и измененными геометрическими параметрами в различных горно-геологических условиях с применением математических методов планирования интерполяционных экспериментов, регрессионного анализа получаемых экспериментальных результатов, использования ЭВМ, скоростной киносъемки исследуемых процессов, других современных методов проведения и обработки результатов эксперимента, математических методов моделирования физических процессов, связанных с очисткой призабойной зоны от шлама.

Научная новизна

Разработан принципиально новый подход к проблеме очистки забоя бурящейся скважины, основанный на выделении трех совершенно различных по своей физической природе и механизму протекания процессов, а именно: процесса очистки поверхности забоя от прижатого к нему дифференциальным давлением шлама (1-й процесс очистки), процесса очистки призабойной зоны от взвешенного в зоне долота шлама, движущегося под действием потоков жидкости в зоне долота (2-й процесс очистки) и процесса очистки вооружения долота от налипающего и запрессованного в межзубцовых и межвенцовых пространствах масс шлама (3-й процесс очистки). Установлены основные физические закономерности протекания 2-го и 3-го процессов очистки и факторы, наиболее значительно влияющие на эти процессы. Произведено разделение этих факторов на природные и зависящие от схем и режимов промывки забоя, а также от конструктивных особенностей буровых шарошечных долот. Показано, что схема промывки долота является наиболее значимым фактором, определяющим протекание всех трех процессов очистки забоя в отличие от ряда других факторов, действие которых может не проявляться в конкретных горно-геологических условиях. На основании обширного экспериментального и теоретического исследования установлено, что гидромониторная схема промывки буровых шарошечных долот оказывает положительное влияние на протекание процесса очистки поверхности забоя и отрицательное влияние на процесс очистки призабойной зоны от шлама.

Разработанный подход к проблеме очистки забоя, основанный на выявлении доминирующего в данных горно-геологических условиях частного процесса очистки, позволил обосновать принципы выбора схем промывки в зависимости от условий бурения. В свою очередь эти принципы обусловили новый подход к проектированию схемы промывки в зависимости от типа вооружения долота, поскольку тип вооружения долота в значительной степени предопределяет последующие условия его отработки и характер образующегося шлама. Это, как показано в работе, позволяет на стадии проектирования буровых шарошечных долот определить, какой из трех частных процессов очистки забоя может являться доминирующим.

В работе показано далее, что практически не встречаются условия, при которых все три процесса очистки одновременно и в одинаковой степени ограничивают показатели работы буровых шарошечных долот. В связи с этим схема промывки

долота, как правило, должна предусматривать выполнение не всех трех, а лиш! двух функций, например, предупреждение сальникообразования и очистк) призабойной зоны, или очистку призабойной зоны и отрыв шлама от поверхност* забоя. Для выполнения этих функций в работе предложены различные схемь промывки, которые могут быть реализованы в современных буровых долотах.

Определены области эффективного применения новых схем промывки буровы) долот в зависимости от горно-геологических условий проводки скважин.

Показано, что очистка вооружения может осуществляться практически толькс гидравлически посредством реализации на долоте специальных новых схег, промывки, а эффективной «самоочистки» вооружения долот не существует.

Разработаны рекомендации по изменению внешней конфигурации долот ( целью эффективного транспорта шлама из призабойной зоны в затрубное пространство.

В работе показано, что при правильно выбранной схеме промывки появляетс? возможность существенно снизить потребные скорости истечения жидкости и: насадок долота. Это дает возможность рационально перераспределить гидравлическую мощность между долотом и забойным двигателем, снизив давление на буровых насосах.

Разработаны новые методы для прогнозирования и управления процессоги очистки забоя применительно к конкретным горно-геологическим условиям основанные на разработанных в работе новых принципах.

Основные защищаемые положения

1. Принципы управления процессом очистки забоя бурящейся скважины основанные на раздельном управлении тремя различными по своей физической природе процессами очистки, а именно: процессом очистки поверхности забоя (отрывом шлама от поверхности забоя), процессом очистки призабойной зонь (выносом шлама из зоны долота в затрубное пространство) и процессом очистки вооружения долота (предотвращением образования сальника на вооружении долота).

2. Принципы анализа геологического разреза месторождений с целью определения доминирующего процесса очистки забоя и выбора схем промывки буровых долот, соответствующих данному разрезу.

3. Методы выбора схем промывки буровых шарошечных долот с целые целенаправленного управления отдельными процессами очистки забоя, в том числе при их взаимодействии.

4. Принципы проектирования гидравлических систем и внешней конфигурации буровых долот, обеспечивающих соответствие схемы промывки долот' типу их вооружения.

5. Принципы выбора режимных параметров промывки забоя в зависимости от схемы промывки буровых шарошечных долот и условий образования шлама в различных горно-геологических условиях проводки скважин.

6. Конструктивные схемы промывки буровых шарошечных долот, целенаправленно воздействующие на отдельные частные процессы очистки забоя.

7. Принципы создания математических моделей очистки забоя для различных схем и условий промывки.

Практическая ценность и реализация работы в промышленности

Положения, разработанные в диссертации, широко используются в настоящее время при выборе и проектировании схем промывки буровых шарошечных долот как у нас в стране-, так и за рубежом, Эти положения использованы при разработке серийных буровых шарошечных долот основного применения, таких как 111215,9 М-ГВ-1, 111215,9 М-ГВ-2, 111215,9 М-ПГВ, 111215,9 С-ГВ-1, 111215,9 С-ГВ-2, 111215,9 С-ГН-4, 111215,9 С-ЦГВ, 111215,9 МЗ-ГВ-2, 111215,9 МЗ-ГВ-З, 111215,9 МЗ-ЦГВ-МЭб, 111215,9 МСЗ-ГН-1, 111215,9 СЗ-ГВ, 111215,9 СЗ-ГВ-1, 111215,9 СЗ-ГВ-2, N1393,7 М-ГВ, 111393,7 С-ГВ, 111393,7 СЗ-ГВ, 111393,7 С-ЦГВ, 111393,7 М-ЦГВ, в долотах 111215,9 МЗ-ГВ-ЗМ, 111215,9 МЗ-ГВ-4, III444.5 С-ГВ, а также в целом ряде других буровых долот отечественного и зарубежного производства.

За работу «Создание и промышленное внедрение долота III 215,9 МЗ-ГВ-З с асимметричной схемой промывочных гидромониторных узлов, обеспечившего зысокий прирост производительности труда буровых бригад» автору присвоено звание «Лауреат премии Миннефтегазпрома СССР» за 1990 г., за цикл работ .(Гидродинамические методы интенсификации буровых процессов» - звание пауреата премии имени академика И.М.Губкина.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались и обсуждались на Всесоюзных ;еминарах по гидравлике буровых и цементных растворов в г.Краснодаре (1969г.), в .Октябрьском (1971г.), в г.Гомеле (1973г.), в г.Ивано-Франковске (1975 г.), .Астрахани (1979г.), г.Ивано-Франковске (1984г. и 1988г.), Всесоюзных гаординационных совещаниях по породоразрушающему инструменту с 1972 по 1990г.г., на XIII Мировом Нефтяном конгрессе (Аргентина, 1991г.), Всероссийской шумной конференции «Фундаментальные проблемы нефти и газа» в г. Москве 1996т.), Международной конференции «Энергия для нового тысячелетия» в г. 1овый Орлеан (США, 2000г.). Основные положения работы вошли также в курс юкций на курсах повышения квалификации работников бурения в УНГ им. 1.М.Губкина, где автор читал лекции по этим проблемам с 1985г. по 1992г.

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 53 работах, в ом числе одной монографии и 10 авторских свидетельствах.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 11 разделов, выводов, библиографии, ключающей tsg, наименований. Работа изложена на 276 страницах учитываемого 1ашинописного текста, включает 81 рисунок и 54 таблицы.

Автор выражает благодарность Т.Г.Агошашвили, И.К.Бикбулатову, ¡.Л.Богданову, В.П.Браженцеву, И.Н.Буяновскому, Ю.Р.Иоанесяну, I.П.Константинову, Г.А.Кораблеву, В.И.Липатову, Ю.С.Лопатину, И.Б.Малкину, 1,Р.Мавлютову, А.Г.Мессеру, А.Х.Мирзаджанзаде, А.П.Пестрову, Г.П.Чайковскому, .И.Щеголевскому, С.А.Ширин-заде за большую помощь в обсуждении, анализе и еализации результатов работы. Особую признательность автор выражает своему ервому Учителю, одному из основоположников отечественной буровой гидравлики .И.Мительману.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обоснование актуальности проблемы и задач исследования.

В первом разделе рассматриваются факторы, влияющие на эффективность процесса очистки забоя бурящейся скважины от выбуренной породы, такие как глубина скважины, свойства горных пород, горное, гидростатическое и пластовое давления, расход промывочной жидкости и ее свойства, скорость истечения из насадок гидромониторных долот и схема их расположения в долоте, нагрузка на долото, частота его вращения и ряд других.

Исследованию проблем, связанных с очисткой забоя бурящейся скважины, посвящены работы Т.Г.Агошашвили, А.С.Айриянца, Х.И.Акчурина, Р.Г.Арзуманова, Б.В.Байдюка, И.К.Бикбулатова, П.Я.Бойко, А.А.Босенко, В.П.Браженцева, И.Н.Буяновского, Ю.В.Вадецкого, Ю.Е.Владиславлева, Е.П.Варламова, Г.Г.Габузова, Э.С.Гинзбурга, Ф.И.Железнякова, Н.А.Жидовцева, А.В.Зубарева, Ю.Р.Иоанесяна, Р.Г.Карлова, В.Н.Кириллина, А.К.Козодоя, H.A.Колесникова, Л.П.Константинова, Г.А.Кораблева, Е.И.Королько, М.О.Криста, П.В.Крючкова, Е.Г.Леонова, В.И.Липатова, Ю.С.Лопатина, М.Р.Мавл югова, И.Б.Малкина, Г.И.Матвеева, П.Н.Матюшина, Б.И-.Мительмана, А.Х.Мирзаджанзаде, М.У.Муратова, П.Ф.Осипова, А.П.Пестрова, Е.Т.Струговца, В.В.Симонова, В.С.Федорова, Б.С.Филатова, И.М.Филимонова, Р.Р.Хаерланамова, Г.П.Чайковского, Л.И.Щеголевского, Р.И.Шищенко, Х.Аутманса, М.Бингхема, Р.Бобо, Р.Броммела, Д.Видрайна, А.Гардинера, Р.Каннингема,

Ван Лингена, К.Лоухона, Д.Майерса, Р.Маклина, У.Маурера, А.Сутко, Н.Схоллета, Финстра, А.Хавстатлера, Г.Шоле, и целого ряда других авторов.

В результате были предложены эмпирические и теоретические зависимости между процессом разрушения горных пород, слагающих забой бурящейся скважины, и очисткой его поверхности от образующегося шлама и глинисто-шламовой подушки, установлен характер воздействия на эти и сопутствующие процессы гидростатического, пластового и горного давлений, а также свойств промывочного агента, основных технологических параметров бурового процесса и, в первую очередь, расхода промывочной жидкости, скорости истечения ее из насадок гидромониторного долота и нагрузки на долото.

Показано, что в атмосферных условиях образцы одинаковых пород, поднятые с различных глубин, разбуриваются практически с одинаковой и весьма высокой скоростью, в связи с чем кратное падение скорости проходки с глубиной объяснить только упрочнением горных пород нельзя.

Важнейшим фактором является не горное, а дифференциальное давление, с ростом которого происходит переход от эффективного объемного разрушения к т.н. псевдопластичному (по Мауреру). При этом вынос частиц породы из лунок, образующихся под зубом долота, существенно затруднен, поскольку между частицами породы в лунке возникают значительные силы трения, которые затрудняют дальнейшее внедрение зуба, и порода начинает себя вести как практически не разрушенная, но с изменившимися прочностными характеристиками. При этом процесс выравнивания давления над и под частицей шлама (что является условием ее отрыва от поверхности забоя) зависит не только от абсолютного значения дифференциального давления, но й от характеристик процесса фильтрации рабочего агента в зону разрушения. В целом ряде случаев сами по себе горное и гидростатическое давления не оказывают серьезного влияния на скорость проходки, и определяющим является именно дифференциальное давление, влияющее на условия мгновенной фильтрации в предразрушенный забой. При этом важнейшим параметром промывочной жидкости является ее вязкость,

предопределяющая интенсивность фильтрации в зону предразрушения и образования экранирующей глинистой корки на поверхности забоя. В связи с этим резкое улучшение показателей механического бурения при переходе на промывку забоя водой можно объяснить как отсутствием глинистой корки и естественным снижением дифференциального давления, так и улучшением фильтрации в зону разрушения и предразрушения за счет меньшей, чем у глинистого раствора, вязкости воды. Соответственно меняется характер разрушения забоя и характеристики образующегося шлама. Одновременно появляется возможность объяснить, почему Э-образные кривые на диаграмме бурения Бингхема преобразуются в прямые малоэффективных режимов очистки забоя. Это является следствием перехода от объемного разрушения при малых дифференциальных давлениях к псевдопластичному разрушению при высоких.

Важнейшим фактором очистки поверхности забоя является схема промывки долота. Образование на забое мощных поперечных потоков не только создает новые условия для отрыва шлама, но и в значительной степени минимизирует образование экранирующей глинистой корки. С другой стороны эти положения дали основания для важного вывода о малой эффективности применения гидромониторных долот при промывке забоя водой, что убедительно подтверждается практикой бурения. В то же время при бурении с промывкой глинистым раствором и при повышенных дифференциальных давлениях гидромониторные долота являются наиболее простым и эффективным методом расширения границ объемного разрушения забоя, что и проявляется в повышении показателей механического бурения и косвенно в увеличении доли крупного шлама - главном показателе объемного разрушения.

Приведенные рассуждения относятся к первому процессу очистки, а именно, к процессу очистки поверхности забоя, непосредственно связанному с разрушением горных пород его слагающих, на который схема промывки забоя оказывает существенное влияние. Однако, изменяя схему промывки бурового долота, необходимо анализировать, как это изменение повлияет на 2-й процесс очистки, т.е. процесс очистки призабойной зоны или зоны долота, а также на 3-й процесс очистки, т.е. процесс очистки вооружения долота от сальника. При этом необходимо иметь в виду, что характер образующегося шлама, его физико-механические свойства и объемы шлама, подлежащего выносу из зоны долота, в свою очередь, являются принципиально важными факторами, без рассмотрения которых в их взаимосвязи невозможно обоснованно выбрать как схему промывки долота, а значит, и забоя, так и основные режимные параметры гидравлической программы бурения в целом. Исследованию этих вопросов и посвящена настоящая диссертация.

Для систематизации представлений о различных гидродинамических методах интенсификации бурового процесса целесообразно классифицировать эти методы по целям, на которые они направлены. В связи с этим в диссертации предлагается соответствующая классификация, разделяющая гидродинамические методы, воздействующие на различные процессы очистки забоя и ствола скважины, которые отнесены к 1-му классу процессов, и на процессы гидромеханического разрушения забоя, отнесенные ко 2-му классу. Внутри каждого класса методы, воздействующие на отдельные частные процессы (очистки поверхности забоя, призабойной зоны и вооружения долота) разделены на соответствующие подклассы, равно как и методы, управляющие транспортом шлама по стволу. Во 2-м классе также выделены подклассы, но по принципу применяемого рабочего агента (гидромеханическое бурение, эрозионное бурение), типу источника высокого давления и т.д. Такая классификация позволяет обоснованно подходить к выбору того метода, который

наиболее эффективен именно в данном конкретном случае, исходя из реальных возможностей и условий бурения. Например, если два метода относятся к одному подклассу, т.е. направлены на достижение одной и той же цели, они могут компенсировать действие друг друга. Так, снижение дифференциального давления и применение гидромониторных долот с повышенными скоростями истечения или применение маловязких рабочих агентов относятся к одному и тому же подклассу методов, воздействующих на эффективность очистки поверхности забоя. Это означает, что они могут компенсировать друг друга. Например, снижение дифференциального давления может сделать излишним мощное струйное воздействие на забой и наоборот. В то же время, если методы относятся к различным подклассам, они не только не могут, в принципе, компенсировать друг друга, но, напротив, улучшая протекание одного процесса, например, очистки поверхности забоя, могут ухудшить протекание другого процесса, например, очистки призабойной зоны, и т.д. Эти явления детально рассматриваются в диссертации.

Принципиальным недостатком всех работ в области очистки забоя, предшествовавших нашим исследованиям, явился тот факт, что один из процессов очистки, главным образом, очистки поверхности забоя (1-й процесс) неправомерно считали «очисткой забоя» в целом. Нами показано, что о чистка забоя представляет собой совокупность трех совершенно различных по своей физической природе и механизму протекания процессов. Более того, очистка призабойной зоны (2-й процесс очистки) и очистка вооружения долота (3-й процесс очистки) в целом ряде условий бурения могут оказывать на результирующие показатели механического бурения значительно большее влияние, чем процесс очистки поверхности забоя (1-й процесс очистки). В связи с тем, что 2-й и 3-й процессы очистки не подвергались систематическому изучению в предшествующих работах, исследованию именно этих процессов, а также их взаимосвязи между собой и с 1-м процессом очистки забоя в настоящей диссертации уделено основное внимание.

Второй раздел посвящен теоретическим исследованиям процесса выноса шлама из призабойной зоны в затрубное пространство при различных схемах промывочных устройств долот. Адекватное математическое моделирование и описание процесса выноса шлама из призабойной зоны на современном этапе практически невозможно, что объясняется чрезвычайной сложностью гидродинамической ситуации в зоне вращающегося долота. Это предопределило тот факт, что до настоящего времени не было предпринято даже попыток математического описания выноса шлама из зоны вращающегося долота в затрубное пространство. Вместе с тем подобное описание в первом приближении позволит осуществить хотя бы качественный анализ процесса, более полно осмыслить результаты экспериментальных исследований, более обоснованно сформулировать задачи и программу дальнейших экспериментов по очистке забоя при различных условиях промывки скважин.

Целью настоящего теоретического исследования является получение в первом приближении решений уравнений движения частиц шлама при транспортировке их потоками жидкости из зоны долота в затрубное пространство, решение полученных уравнений, связывающих эффективность процесса выноса шлама с основными технологическими параметрами и схемами промывки долота с помощью критериев беспрепятственности выноса шлама, т.е. его вторичной измельчаемости в зоне долота, которые были использованы в экспериментальных исследованиях.

Для построения математической модели процесса очистки призабойной зоны при центральной схеме промывки была принята следующая упрощенная схема процесса.

Затопленная турбулентная струя промывочной жидкости истекает из центрального отверстия или насадки и, ударяясь о вершины первой и второй шарошек, частично отражается по направлению к проемам между лапами долота. Другая часть потока проникает между шарошками непосредственно на забой, где меняет свое направление с осевого на поперечное. Образующийся поперечный поток растекается от центра забоя к его периферии, расширяется, теряет скорость по радиусу и закручивается вращающимся долотом. Скорость вращения потока соответствует частоте вращения долота с некоторым коэффициентом проскальзывания Кпр. Примем, что тело шарошки находится выше этого потока, а зубцы имеют точечные контакты с поверхностью забоя и принципиально не искажают картину течения. Достигнув стенки скважины, поток меняет свое направление и преобразуется в восходящий в живых сечениях, определяемых геометрией проемов между лапами долота. Движение шлама в поперечном потоке назовем 1-й фазой движения, в восходящем потоке - 2-й фазой. Если за время перемещения частицы шлама в 1-й фазе она будет настигнута набегающей шарошкой, а во 2-й фазе набегающей лапой долота, она будет считаться вторично измельченной. Окончанием 2-й фазы движения будем считать достижение частицей высоты спинки лапы, выше которой частица уже не может подвергнуться вторичному измельчению. Отношение числа вторично измельченных частиц к их общему числу будем считать критерием эффективности выноса или уровнем вторичной измельчаемости шлама.

Для дальнейших расчетов естественно ввести цилиндрическую систему координат (г, в, г). Тогда для частицы, , имеющей массу т, и находящейся в точке А с координатами (г; в, z), г- расстояние от точки А до оси цилиндра, в - угол между плоскостью, проходящей через ось цилиндра и точку А, и начальной плоскостью (полярный угол), г - высота точки А по оси цилиндра. Если й> - вектор скорости частицы, то его проекциями будут соответственно wr = dr/dt, we = r(d6/dt), wz - dz/dt.

Векторное уравнение движения частицы имеет вид: nü = F+P

и\й\

где - Р сила тяжести, F - гидродинамическая сила, F = -pc—

п(пг,ад, а.)- ускорение частицы шлама. В 1-й фазе движения э2 = 0, а во 2-й - аг= 0.

Проектируя векторное уравнение движения на оси координат г, 9 иг, получаем уравнение движения частицы шлама под воздействием гидродинамических сил во 2-м процессе очистки забоя.

Для 1-й фазы движения Ro < r< R имеем:

2тгс7, г 2Л<Т, Г (1)

Гё + 2 гв = -kr1 (в - Km) I в - К ю I

Для 2-й фазы движения 0 < z <Н имеем: R9 = -к!?(в - Л» I 0 - Km |

/(z) /(z)

Здесь R - радиус долота, Ro - радиус поворота потока на периферии долота, m = лп/30 - угловая скорость вращения долота, Qo-расход жидкости через насадку, о-, - толщина поперечного потока, k = р /рш ■ с/2 ■ 1/â, р - плотность жидкости, рш - плотность материала шлама, с - коэффициент лобового сопротивления, 5 = B/S - характерный размер частицы, В - объем частицы, S - площадь миделева сечения частицы шлама, Агт - коэффициент отражения, 0 < ki < 1, кг-

коэффициент, учитывающий часть расхода жидкости, проходящую между лапами долота, 0 < кг < 1, f(z) - площадь проходного сечения проема между лапами долота.

Полученные системы дифференциальных уравнений являются нелинейными, поэтому в дальнейшем они исследовались численно с помощью ЭВМ.

Для 1-й фазы движения начальные условия принимались равными: t = 0, г(0) = г,,0(0) = 0, dr/dtjo = 0, deМ\0 = 0.

Решение задачи Коши для системы дифференциальных уравнений (1) позволяет определить траекторию движения частицы, находящейся на каком-либо расстоянии г = г,. Окончанием 1-й фазы движения считаются два состояния частицы: выход на г = Ro без разрушения или попадание под набегающую шарошку.

Эти условия эквивалентны неравенствам r(t) > R0 и ОД ^ ait - 2л/М (M - число шарошек).

Начальные условия для задачи Коши в системе (2) записываются в следующем виде:

t = t[ 9=6(t\), z = 0 ê = è(tl), ¿ = 0

Решение задачи Коши для системы (2) дает возможность определить траекторию движения частицы шлама, движущейся в выходящем потоке по цилиндру г = R, т.е. определить функции 9 = fiff) и z = z(t).

По аналогии с 1-й фазой движения окончанием 2-й фазы можно считать либо выход частицы на высоту z = H, либо попадание ее в зазор между спинкой лапы, затылком шарошки и стенкой скважины, т.е. выполнение условия встречи частицы и профиля набегающей лапы долота.

С целью получения более универсальных результатов, удобства анализа и уменьшения числа варьируемых параметров системы (1) и (2) приводились к безразмерному виду.

а) для 1-й фазы

1 Ч (3)

2

т](р + 2т]ф = -rj (<p-aKJ\ ф-аКп

б) для 2-й фазы

ф = г!к(<р-аКя)\<р-аКп |

Здесь а Р и у - безразмерные комплексы параметров.

Соответственно определялись начальные данные также в безразмерном виде:

а) для 1-й фазы движения (т = 0)

7(0) = 7.+(7»-Ч.)^. где ¿ = 0,1,...ЛГ

//(0) = <9(0) = ^(0) = 0

б) для 2-й фазы движения (У 1)

у = <р(т\), р = ф{%\), 2 = 0 г = 0.

(6)

Здесь параметры с индексом И относятся к координатам радиуса забоя, а с индексом л - к координатам профиля лапы долота. Условия перехода от 1-й фазы ко 2-й имеют вид:

П(Т1!) > лЯ. ^ " 2*/М. (7)

Момент времени, определяющий окончание фазы движения.

^2) £ ф(т2') < ат2' - 2л/М +■ срлК), Н - высота лапы долота. (8)

Площадь проходного сечения проема между лапами долота ^г), профильный угол 0п(г) определялись путем обмера долота и в качестве расчетного принималось среднее значение.

Безразмерная система уравнений (3) и (4) с начальными условиями (5) и (6) решалась численным методом Рунге-Кутта для различных начальных условий, на основе численных данных происходило вычисление фазовых критериев очистки, т.е. измельчаемое™ частиц шлама ИТ1 и ИТг и общего критерия очистки Иг.

Весьма интересным фактором, установленным в результате расчета, является то, что вынесенными оказались частицы, образовавшиеся в центре и на периферии забоя, а измельченными, т.е. попавшими под набегающую шарошку долота, частицы, находившиеся в начальный момент в средней части радиуса, с номерами / = 1-И2 (при N = 20). Для качественной проверки найденного эффекта был проведен специальный эксперимент, в процессе которого частицы шлама подавались только в центральную или только в периферийную области забоя, в результате была подтверждена возможность более эффективного выноса частиц, находящихся в центральной части забоя по сравнению с частицами, которые в момент начала 1-й фазы движения были в непосредственной близости к периферии, что является подтверждением справедливости численных расчетов по уравнениям (3) и (4).

Установлено, что основным критерием, определяющим условия движения частицы в зоне долота, является безразмерный критерий

п л1 ,рж 2 2 о, а =--,

а 15 р^ С к,

учитывающий как технологические, так и гидродинамические характеристики потоков, а также характеристики частиц шлама.

Далее было разработано математическое описание процесса очистки призабойной зоны при использовании долота с произвольной схемой промывки. Одним из допущений при схематизации процесса очистки забоя является предположение о том, что струя жидкости, истекая из насадок и встречаясь с забоем, достаточно компактно растекается по его поверхности, образуя поперечные потоки, а шарошки долота не оказывают существенного влияния на характеристики поперечного потока.

Движение жидкости в поперечном потоке принимается потенциальным, что дает возможность математически описать интерференцию поперечных потоков при наличии нескольких насадок, т.е. источников расхода жидкости.

С учетом сказанного проекции скоростей на координатные оси их, иу, иг даются формулами:

Эх у. ду

Диаметр пятна контакта струи на поверхности забоя определяется выражением: Ол = (/„ + 2Ь4дп

Где бц - диаметр насадки, Л - расстояние от среза насадки до поверхности забоя, /(-угол "распыления" или "раскрытия" струи.

Для скорости и3 в произвольном цилиндрическом сечении радиуса г3 получена формула

„,в_ 2а

С помощью этой формулы и с учетом угла, который образует ось струи жидкости с плоскостью забоя, можно записать явные выражения для скоростей поперечного потока, рбразованного в случае наличия нескольких насадок, и получить замкнутую систему дифференциальных уравнений

Л1* ъ ь ъ

'птг= г ^ в'

которой подчинено движение частицы шлама. Здесь 7 - радиус-вектор частицы, Рг - гидродинамическая сила, определяемая скоростью поперечного потока, РА - архимедова сила, Гв- вес частицы. Рассматривая движение частиц только в плоскости поперечного потока, траектории движения частиц шлама во времени в зависимости от начальных условий получаются путем решения задачи Коши для системы:

¿гг с,р 5 £#\ , _ ¿г , т—г = ' (и--) \и--.

2 <Л А

Для оценки областей интенсивного гидродинамического воздействия поперечного потока, где происходит отрыв частиц шлама, и учета времени интенсивного воздействия поперечного потока вводятся характеристики: Тот -относительное время воздействия потока, имеющего скорость не меньше заданного

и

уровня по радиусу забоя, и 5от - относительная площадь области забоя, где скорость поперечного потока не меньше заданного уровня:

Т - '

2яг с)д '

5.,,. - ЦГ)

2

Здесь Цг) - длина дуги окружности радиуса г, лежащей в области, где скорость поперечного потока не менее заданного уровня.

Для оценки выносной способности потока используется количественная характеристика - измельчаемость шлама.

Качественный анализ характеристик по различным схемам промывки и сравнение их с результатами экспериментальных исследований дают возможность утверждать, что получаемые модельные характеристики удовлетворительно отражают исследуемый процесс.

Например, теоретически было получено, что при асимметричных схемах промывки с одной и двумя насадками процесс выноса частиц на периферию забоя протекает более благоприятно в сравнении с обычной схемой расположения трех насадок.

Аналогичный теоретический результат был получен при трех не равных по диаметру насадках и при комбинированной схеме с центральной и двумя периферийными насадками, что нашло свое подтверждение в экспериментальных исследованиях. Теоретический анализ картины выноса шлама осуществлялся с использованием графопостроителя, что упростило качественную оценку получаемых результатов.

Таким образом, разработанные теоретические методы анализа процесса выноса шлама позволяют делать некоторые важные предположения и более обоснованно планировать экспериментальные и промысловые исследования.

В третьем разделе описывается методика и обосновывается программа экспериментальных исследований процесса выноса шлама из зоны долота в затрубное пространство (2-й процесс очистки). Особенности 2-го процесса очистки забоя является независимость его протекания от глубины скважины, поскольку в тот момент, когда частица шлама потеряла контакт с поверхностью забоя, всестороннее давление на все точки частицы становится равным гидростатическому (по закону Паскаля). Следовательно, гидростатическое давление не может влиять на силы, под действием которых частица перемещается в зоне долота. Естественно и то, что никакого влияния на перемещение частиц шлама в зоне долота не может оказывать и пластовое давление. Таким образом для экспериментального исследования рассматриваемого процесса нет необходимости в моделировании дифференциального давления в принципе, что существенно упрощает требования к методике эксперимента. Важнейшим положением является и то, что исследуемый процесс должен изучаться изолированно от других с вариацией именно тех факторов и параметров, которые, действительно воздействуют на его протекание. В нашем случае это, в частности, означает, что процесс выноса шлама из зоны долота должен изучаться независимо от процессов разрушения забоя и отрыва частицы от его поверхности.

В результате основные задачи экспериментального исследования были сформулированы следующим образом:

выявление основных закономерностей транспорта частиц шлама от забоя до затрубного пространства над долотом, характерных траекторий частиц шлама в зоне долота, областей, в которых происходит беспрепятственный вынос шлама или скопление частиц зон, где имеет место вторичное измельчение шлама, характера взаимодействия частиц между собой и с конструктивными элементами долота;

определение влияния на процесс выноса режимных параметров, а именно, скорости вращения долота, расхода промывочной жидкости и скорости её истечения из насадок долота, а также скорости поступления частиц в зону долота или объемов шлама, подлежащих эвакуации в затрубное пространство из зоны долота;

определение влияния схем расположения, количества и конфигурации промывочных узлов долота, формы лап долота и проемов между лапами, а также ряд других геометрических параметров долота на эффективность очистки призабойной зоны от шлама.

Исходя из основных целей и задач экспериментальных исследования, была спроектирована, изготовлена и смонтирована специальная лабораторная установка, позволяющая изолированно изучать процесс выноса шлама из призабойной зоны.

Установка состоит из четырех главных модулей: системы привода вала долота,

колонн наружной и внутренней с проходящим внутри последней валом долота,

циркуляционной системы с поршневым насосом типа КМ-5Т, системы шламоподающего механизма.

В качестве привода вала долота использовался гидродвигатель, позволяющий изменить частоту вращения долота в диапазоне от 30 до 700 об/мин с любыми промежуточными значениями и контролем частоты вращения с помощью индукционного датчика и частотомера, установленных в одном блоке с пуско-регулирующей аппаратурой гидродвигателя.

Нижняя часть наружной колонны была выполнена прозрачной для возможности скоростной киносъемки процесса выноса шлама из зоны долота. Выход циркуляционной системы был оборудован специальными устройствами для отбора шлама. Измерение расхода промывочной жидкости осуществлялось объемным cnoco6qM.

Для обеспечения непрерывной подачи частиц шлама в зону долота при различных скоростях подачи равномерно по всей площади забоя был разработан специальный шламоподающий механизм, состоящий из магазина цилиндров с внутренним диаметром 11 мм и длиной 1 м, внутри которых перемещаются толкатели, связанные между собой расположенным внизу диском. Диск приводится в движение с помощью центрального винта, проходящего через гайку в центре диска. Винт приводится во вращение электродвигателем через систему двух коробок передач, что позволяет устанавливать нужную скорость вращения винтового вала, а значит, и соответствующую скорость выталкивания частиц шлама в перфорированный забой под вращающееся долото. Экспериментальное долото в первом экспериментальном цикле имело диаметр 145 мм и комбинированную систему промывки с тремя периферийными и центральным каналами. Во втором экспериментальном цикле использовались серийно выпускаемые и специальные долота диаметром 190 мм. Для реализации второго цикла испытаний лабораторная установка была полностью реконструирована, поскольку изменение диаметра долота повлекло изменение габаритов всех основных узлов и модулей установки.

Для обеспечения скоростной киносъемки процесса очистки призабойной зоны от шлама в качестве промывочной жидкости использовалась вода, а нижняя часть

наружной колонны была выполнена прозрачной. Использование в качестве промывочной жидкости воды оправдано кроме прочего тем, что, как показали рассмотренные в первой главе исследования, свойства промывочного агента решающим образом влияют на процесс отрыва шлама от поверхности забоя, т.е. на 1-й процесс очистки. После момента отделения частицы от поверхности забоя свойства промывочной жидкости не оказывают существенного воздействия на эффективность выноса частиц их зоны долота в затрубное пространство. Это объясняется тем, что ввиду высокой турбулизации глинистого раствора или любой неньютоновской жидкости в зоне долота за счет его вращения и одновременного истечения турбулентных струй из насадок долота, жидкость теряет свои неньютоновские свойства и ведет себя как ньютоновская, но с повышенной относительно воды вязкостью. В то же время последнее обстоятельство не может кардинально изменить картину движения потоков жидкости в зоне долота, определяемой скоростью истечения жидкости из насадок, схемой их расположения и геометрией долота, формирующей живые сечения для потоков, выносящих шлам в затрубное пространство. Несмотря на эти достаточно очевидные положения, для их уточнения была проведена серия экспериментов при промывке глинистым раствором. В этих экспериментах, ввиду невозможности проводить скоростную киносъемку процесса, мы ограничивались только измерением вторичной измельчаемости шлама, который, как будет показано ниже, является основным выходным параметром эффективности процесса очистки призабойной зоны от шлама.

Действительно, основное требование к процессу выноса частиц шлама - это их беспрепятственный вынос из зоны долота в затрубное пространство. Если частица под действием тех или иных обстоятельств снова попадает под шарошку или в «завес» долота, она повторно измельчается, что приводит к очевидным негативным последствиям. Исключение или минимизация этих явлений и предопределяет эффективность очистки призабойной зоны, а критерием этой эффективности является вторичная измельчаемость шлама. Именно этот критерий и был принят в качестве основного выходного параметра при проведении экспериментальных исследований. Выбор этого, пожалуй, единственного объективного, обобщенного и естественного критерия эффективности выноса шлама из призабойной зоны поставил задачу изготовления огромного числа частиц из материала, близкого по своим свойствам к материалу горных пород и способного разрушаться в зоне долота без разрушения прозрачного забойного проставка колонны, других элементов установки и самого долота. В результате проведенного поиска материала наиболее приемлемой оказалась смесь литейного воска со свинцовым суриком. При этом было определено то соотношение между указанными компонентами, которое обеспечивало получение частиц удельного веса порядка 2,7 г/см3, соответствующего большинству горных пород и, главное, с механическими свойствами, близкими к таковым категориям пород типа алевролитов, дающим хрупко-пластичное разрушение. Одновременно была разработана технология изготовления сотен тысяч таких частиц в виде цилиндров с высотой и диаметром 8 мм, имевшим, кроме того, ярко-оранжевую окраску, что существенно для визуализации и киносъемки изучаемого процесса.

Одна полная зарядка шламоподающего механизма для первого цикла исследований (долото 145 мм) составляла более 3 тысяч частиц, для второго цикла (долото 190 мм) около 5 тысяч. На полной зарядке проводилось от 2-х до 4-х опытов. На различных схемах и режимах промывки долота и при изменении целого ряда других параметров и условий испытаний всего в течение экспериментальных

исследований было проведено более тысячи опытов. В течение каждого опыта пробы шлама отбирались на выходе циркуляции и затем подвергались анализу и сортировке, в процессе которой отделялись частицы, полностью сохранившие первоначальную цилиндрическую форму, от разрушенных. Численным значением критерия вторичной измельчаемости шлама являлось отношение веса измельченных частиц ко всему весу пробы шлама в процентах. Режимные параметры варьировались в следующих диапазонах:

- скорость истечения жидкости из насадок долота от 45 до 85 м/с,

- скорость вращения долота от 50 до 600 об/мин,

- расход промывочной жидкости от 5 до 11 л/с,

- скорость подачи шлама или объем шлама, подаваемого через перфорированный забой под вращающееся долото за секунду, соответствовали механической скорости бурения от 2,3 до 20,7 м/ч.

Все эксперименты проводились с использованием методов математического планирования интерполяционных экспериментов с получением по каждому эксперименту уравнения регрессии, связывающего выходной параметр (вторичную измельчаемость частиц шлама) с режимными параметрами. Важнейшим преимуществом данного метода является возможность получения количественных данных о независимом влиянии каждого из режимных \входных) параметров на главный критерий процесса (вторичную измельчаемость шлама), а также о влиянии всех взаимодействий отдельных параметров. При этом свободный член уравнения регрессии представляет собой среднее значение или уровень выходного параметра (вторичной измельчаемости) по всем опытам внутри данного эксперимента, т.е. является основным показателем эффективности данной схемы промывки.

Для получения более точных результатов большинство экспериментов проводилось отдельно по двум диапазонам частот вращения долота - от 50 до 200 об/мин, характерных для роторного бурения и от 200 до 600 об/мин, характерных для бурения забойными двигателями.

В четвертом разделе приводятся результаты экспериментальных исследований процесса выноса шлама из призабойной зоны при различных схемах промывки шарошечных долот.

При 'центральном промывочном отверстии (без насадки) в диапазоне низких частот вращения долота (50 +200 об/мин) получен практически лучший результат по эффективности выноса шлама из призабойной зоны (уровень вторичной измельчаемости, в дальнейшем «уровень ВИ», составил всего 17%). При высоких частотах вращения (200-5-600 об/мин) уровень ВИ возрос до 43,7%, т.е. произошло резкое ухудшение условий выноса шлама. Анализ результатов скоростной киносъемки процесса выноса шлама показал, что при низких частотах вращения шлам, как правило, успевает подняться на безопасную высоту (высоту лапы долота) за время ее поворота на 120°. Это обеспечивается наличием в свободных проемах между лапами долота достаточно эффективных восходящих потоков жидкости, разгоняющих частицы шлама до скоростей порядка 3-5 м/с. При высоких частотах вращения долота этой скорости уже не достаточно для выноса частиц на безопасную высоту за время поворота лапы на 120°, что приводит к попаданию шлама в завес долота и его измельчению. Известные из промысловой практики износ козырьков лап и даже выкрашивание опор представляют собой следствия именно этого явления. При частоте вращения долота 600 об/мин уровень ВИ составлял уже 60-80% в зависимости от расхода жидкости. Таким образом при

данной схеме промывки наиболее существенным фактором является частота вращения долота, с ростом которой резко ухудшаются условия выноса шлама.

При установке центральной насадки картина выноса шлама из призабойной зоны кардинально изменилась. Достаточно сказать, что частота вращения долота практически перестала оказывать заметное влияние на эффективность выноса, а уровень ВИ по двум диапазонам частот вращения составил 33,9 и 32,6% соответственно. Анализ материалов скоростной киносъемки выявил, на первый взгляд, странное явление, а именно, что основная масса шлама выносилась практически через один из трех проемов долота, расположенный напротив вершины 1-й шарошки. Оказалось, что струя жидкости отражается от вершины 1-й шарошки, образуя активный поток по направлению к проему между 2-й и 3-й шарошками. Для подтверждения этого явления был проведен специальный эксперимент на долоте с отпиленной вершиной 1-й шарошки, после чего вынос шлама через все три проема, действительно, стал приблизительно одинаковым. Интересно, что и повышение скорости истечения мало что изменило в характере выноса шлама, По-видимому, уже при скорости истечения 45 м/с активность циркуляционного потока от вершины 1-й шарошки достаточна для выноса шлама, а дальнейшее её повышение привело лишь к дополнительному вихреобразованию, в результате чего часть шлама начинала «метаться» между кромками лап, задерживаясь в проеме и по?1адая в «завес» долота. Таким образом, при низких частотах вращения центральное отверстие без насадки обеспечило лучший результат, чем центральная насадка, а при высоких частотах вращения картина изменилась на обратную. Наблюдения показали далее, что часть расхода жидкости попадает на забой, образуя поперечный поток, что является позитивным фактором.

Схема с тремя периферийными насадками оказалась самой неэффективной среди всех схем промывки, что подтверждено дальнейшими исследованиями. Уровень ВИ составил 79,1% и 81,3%. Более того, наиболее существенное отрицательное воздействие на процесс выноса оказывала скорость истечения. Другие режимные параметры мало влияли на процесс. Дело в том, что уже при невысоких частотах вращения долота практически весь объем шлама активно отражается снова по направлению к забою, частицы «мечутся» в проемах, где работают нисходящие потоки от расширяющихся струй, создающие почти непреодолимый гидравлический заслон для шлама. В результате основная масса частиц (порядка 4/5 объема) попадает в «завес» долота или снова под шарошки и повторно измельчается. При этом скорость подачи шлама вообще не влияла на уровень ВИ.

При переходе к асимметричной схеме с двумя работающими насадками условия выноса шлама резко улучшились: и уровни ВИ составили 37,8 и 48,5%. Практически весь объем шлама выносился через свободный от насадки проём, чему способствовало не только отсутствие в этом проёме нисходящего отражающего потока, но и образование местной циркуляции жидкости через этот проем за счет действия двух других струй, образующих на забое поперечный поток, который устремляется к свободному проему и вовлекает в себя практически весь шлам со всей поверхности забоя, создавая в свободном проёме мощный восходящий поток.

Использование схемы с одной работающей насадкой не только не улучшило условия выноса, но, наоборот, привело к их ухудшению по сравнению с двумя насадками, чего трудно было ожидать априори, поскольку, был освобожден еще один проем для выноса шлама. (Уровни ВИ - 48,4 и 49,0%). Оказалось, что сосредоточенный только в одной струе расход жидкости вызвал мощное эжекционное воздействие на частицы шлама, которое распространилось даже на

частицы, уже поднявшиеся на, казалось бы, безопасную высоту в свободных от струй проёмах выше лап долота. В проёме с работающей струей вынос шлама отсутствовал полностью, а наибольшей зжекции повергались частицы, поднявшиеся в проеме, по отношению к которому струя являлась набегающей. В результате частицы начинали как бы циркулировать в зоне долота, попадая в «завес» долота или повторно под его шарошки.

Схемы с удлиненными насадками оказали весьма благоприятное воздействие на условия выноса шлама. При трех удлиненных насадках уровни ВИ составили 58,3 и 67,2% против 79,1 и 81,3% для схемы с тремя обычными насадками. Разумеется, наличие насадок (струй) во всех проёмах предопределило достаточно высокий уровень ВИ, однако его снижение по сравнению обычными насадками объясняется тем, что частицы шлама получили возможность подъема в пространстве между кромками лап и внешней поверхностью насадок, где возникли восходящие потоки, которых практически не было при открытых струях. Кроме того, струи, помещенные в «кожух», оказывали значительно меньшее эжектирующее действие на частицы и снизили вихреобразование.

Этими же причинами объясняется и полученное снижение отрицательного воздействия на процесс скорости истечения из насадок, которое в случае открытых струй было кратно большим.

При двух периферийных удлиненных насадках было получено дальнейшее и весьма существенное улучшение условий выноса шлама (уровни измельчаемости, соответственно, 23,0 и 32,4%). В рассматриваемом случае имело место явление, характерное для любой асимметричной схемы, связанное с образованием интенсивного потока через свободный проем, в который вовлекается основная масса шлама. Однако интенсивность циркуляционного потока была выше, чем у аналога с обычными насадками. Следует, однако, отметить, что высокая скорость у поверхности забоя приводила к заметной зжекции шлама, не успевшего по каким-либо причинам подняться на достаточную высоту в проеме между лапами.

При одной удлиненной насадке опять не было получено улучшения условий выноса по сравнению с двумя насадками, как и в случае с обычными насадками. (Уровни ВИ: 22,9 и 36,3%). Это объясняется также эжектирующим воздействием на поднимающиеся частицы, однако это воздействие распространялось исключительно на те частицы, которые поднимались в проёме, занятом насадкой, в то время как в свободных проёмах частицы выносились беспрепятственно в отличие от случая с одной обычной насадкой.

При схеме промывки с тремя обычными насадками на долоте с промывочными отверстиями в лапах было получено существенное улучшение условий выноса шлама по сравнению стремя обычными насадками. (Уровни ВИ: 43,8 и 56,6%). Это объясняется тем, что отверстия в лапах, действительно, обеспечивают дополнительный канал связи призабойной зоны с затрубным пространством и вынос шлама через эти отверстия достаточно эффективен, в особенности при низких частотах вращения долота.

В результате достигается эффект местной обратной циркуляции и более эффективный вынос шлама из межшарошечного пространства, что является одной из важных проблем при любой симметричной промывке гидромониторного долота.

При двух периферийных насадках на долоте с отверстиями в лапах получен один из самых лучших результатов. (Уровни ВИ: 22,3 и 29,6%).

Особенно благоприятный результат получен в диапазоне высоких частот вращения долота. Таким образом, объединение в одном долоте асимметрии и дополнительных каналов связи центральной области долота с затрубным

пространством оказалось весьма эффективным техническим решением. Наиболее интенсивный вынос был отмечен через отверстие, расположенное между двумя работающими насадками, что можно объяснить интерференцией струй, за счет чего возникает достаточно интенсивный восходящий поток между шарошками по направлению к указанному отверстию.

Характерно, что удлинение насадок на долоте с отверстиями в лапах не привело к заметному улучшению условий выноса шлама, в особенности, это относится к асимметричной схеме.

При трех удлиненных насадках на долоте с отверстиями в лапах уровни ВИ составили 39,5 и 49,6%. Вынос шлама через отверстия в лапах был малоинтенсивным, и основная масса шлама выносилась как и при обычном долоте с удлиненными насадками между их внешней поверхностью и кромками лап.

При двух удлиненных насадках на долоте с отверстиями в лапах уровни ВИ составили 21,9 и 30,5%, что даже несколько хуже, чем при двух обычных насадках. Такие, несколько неожиданные, результаты можно объяснить тем, что при удлинении насадок существенно ослабляется интенсивность восходящих потоков между шарошками по направлению к отверстиям в лапах, т.е. преимущество организации потоков через отверстия не реализуется в полной мере, а основная масса шлама выносится, как и на обычном долоте без отверстий в проемах, за счет организации восходящих потоков между внешней поверхностью насадок и кромками лап. Таким образом, можно сделать вывод о неэффективности удлинения насадок при наличии отверстий в лапах. Однако этот вывод относится только к процессу очистки призабойной зоны. Практически во всех остальных случаях удлинение насадок является весьма эффективным средством как с точки зрения 2-го, так и 1-го процессов очистки забоя.

Большой интерес представляют комбинированные схемы промывки, сочетающие в себе центральную и периферийную промывку одновременно. Достаточно широко применяемые в долотах большого диаметра, они до настоящего времени практически не используются в долотах основного применения. Поскольку высокая эффективность удлиненных насадок не вызывает сомнений, исследовались комбинированные схемы именно с удлиненными периферийными насадками. Ввиду малой эффективности асимметричной схемы с одной периферийной насадкой, эта схема в комбинированном варианте не рассматривалась.

При комбинированной схеме с центральной и тремя периферийными удлиненными насадками получены весьма благоприятные результаты (уровни ВИ: 16,1 и 33,2%), причем в диапазоне низких частот вращения долота получен лучший результат среди всех схем промывки. Впервые симметричная схема промывки оказалась более эффективной, нежели все варианты асимметричной схемы. В диапазоне высоких частот вращения долота результат не столь впечатляющий, однако лучший среди всех симметричных схем. Эти результаты объясняются тем, что положительное влияние центральной схемы, создающей потоки из центральной области межшарошечного пространства в проёмы, суммировалось с положительным влиянием периферийных удлиненных насадок, образующих эффективные восходящие потоки вдоль внешней поверхности насадки и кромками лап. В диапазоне высоких частот вращения долота начал сказываться эффект «захвата» лапами частиц, не успевших подняться на высоту лапы за время её поворота на 120°, вызывающий измельчение частиц в «завесе» долота. Чрезвычайно важным фактором явилось и то, что впервые, тем более при симметричной схеме, повышение скорости истечения благоприятно сказывалось на выносе шлама,

причем при высоких частотах вращения долота это положительное влияние было весьма существенным.

При комбинированной схеме с центральной и двумя периферийными удлиненными насадками получены также благоприятные и несколько неожиданные результаты (уровни ВИ: 18,2 и 24,1%), а именно, асимметричная схема промывки в диапазоне низких частот вращения долота дала несколько худший результат, чем симметричная, чего ранее не отмечалось. Этот результат можно объяснить тем, что уже при симметричной схеме промывки условия выноса шлама в проёмах между лапами настолько благоприятны, что освобождение проёма и организация через него потока оказываются излишними. Более того, частица, появившаяся на забое между двух работающих насадок может быть увлечена к центру забоя, не встречая потока от третьей не работающей насадки. Это приводит к тому, что частицы, которые могли бы успешно подняться в «своем» проёме, увлекаются вдоль поверхности забоя к свободному проёму, повторно измельчаясь за счет воздействия на них шарошек. Однако в виду, по-видимому, небольшого числа таких частиц уровень ВИ в обоих случаях был достаточно близок: 18,2 против 16,1%. В диапазоне высоких скоростей вращения картина становится достаточно традиционной, т.е. асимметрия дала лучший результат (24,1 против 33,2%), что легко объяснить рассмотренными ранее эффектами, поскольку существенное число частиц не может подняться на «безопасную» высоту за меньший промежуток времени, который отводится частице до встречи с набегающей лапой, и дополнительный канал связи забоя с затрубным пространством начинает работать более эффективно. Следует отметить, что характер влияния скорости истечения на уровень ВИ принципиально не изменился и при асимметричной комбинированной схеме.

В заключение 1-го цикла экспериментальных исследований при диаметре долота 145 мм были проведены опыты по определению влияния максимального возможного приближения насадки к поверхности забоя, что невыполнимо в обычных долотах. Это потребовало проектирования и изготовления нового долота, имеющего уменьшенные размеры шарошек для обеспечения возможности удлинения насадки непосредственно до поверхности забоя. С целью выделения влияния именно степени приближения насадки к забою долото было выполнено с одной периферийной вертикально расположенной насадкой большого внешнего диаметра для исключения поломки насадки. Конструкция долота позволяла максимально приближать насадку к забою на любое расстояние, поскольку шарошки были расположены с некоторой асимметрией, для доведения насадки практически до поверхности забоя, что потребовало их несколько раздвинуть. Использовались следующие значения расстояния среза насадки до поверхности забоя: 4, 8, 30, 52 и 56 мм. Уровни ВИ для данной схемы промывки и конструкции долота составили 29,3 и 30,5%. Режимные параметры были такими же, как и во всех предыдущих экспериментах. Самое существенное влияние на ВИ оказывало именно расстояние до забоя, причем в диапазоне низких частот вращения и скорость истечения, и частота вращения долота оказались незначимыми параметрами. Анализ материалов скоростной киносъемки процесса показал, что приближенная непосредственно к поверхности забоя струя, практически не оказывала эжектирующего воздействия на шлам, который практически беспрепятственно выносился восходящими потоками между внешней поверхностью насадки и кромками лап. Однако более интересным оказался факт эффективного выноса шлама в двух других свободных от насадок проёмах. Этому способствовало не только отсутствие восходящих струй, но и новая форма проемов, которые были значительно более глубокими и имели большое живое сечение за счет отсутствия в

них не только насадок, но и приливов под насадки. Во всех предыдущих схемах заглушение насадки, естественно, не сопровождалось удалением этих приливов, занимающих более половины живого сечения проёма. Это очень важный результат, свидетельствующий о том, что заглушение насадки представляет собой лишь простейший вариант асимметричной схемы, не решающий в полной мере проблему освобождения проёма для выноса шлама, поскольку сам прилив лапы под насадку является существенной преградой для шлама в восходящем потоке жидкости. Кроме того, лапы долота были выполнены с острыми вертикальными кромками, и частицы шлама, ударяясь об эти кромки как по вертикальным направляющим успешно выносились восходящими потоками, а не затирались в «завесе» долота, как это происходило ранее, что характерно для большинства обычных долот, поскольку лапы, как правило, имеют скругленную внешнюю конфигурацию.

Все эти результаты ещё раз подтвердили, что конструктивные особенности отдельных элементов и узлов долота могут оказывать существенное влияние на эффективность выноса шлама из призабойной зоны, что до настоящего времени не являлось предметом самостоятельных исследований. Таким образом, 1-й цикл экспериментальных исследований позволил сделать вывод о том, что решающим фактором эффективности очистки призабойной зоны от шлама является схема промывки долота, а режимные параметры играют подчиненную роль. При атом в понятие «схема промывки долота» входит и внешняя геометрия долота, определяющая те живые сечения, через которые происходит вынос шлама из призабойной зоны.

Известно, что свойства промывочной жидкости решающим образом влияют на условия отрыва шлама от поверхности забоя (1-й процесс очистки), что было рассмотрено в первом разделе. Из общих соображений можно предположить, что этот фактор не может оказывать столь же большое влияние на протекание процесса выноса шлама из призабойной зоны (2-й процесс очистки). Для уточнения этого важнейшего положения был проведен специальный эксперимент. Опыты проводились при промывке глинистым раствором на трех базовых схемах промывки: центральное отверстие, обычная гидромониторная схема, асимметричная схема с двумя обычными насадками. При центральной схеме получены уровни ВИ: 17,8 и 43,7% против 17,0 и 25,1% на воде, при симметричной гидромониторной схеме 76,5 и 78,2% против 79,5 и 81,3% на воде, при асимметричной схеме 40,9 и 46,4% против 37,8 и 48,5% на воде. Таким образом, можно считать доказанным, что переход на промывку глинистым раствором не привел к существенному изменению основного показателя очистки призабойной зоны - вторичной измельчаемости шлама в зоне долота, т.е. свойства промывочного агента, действительно, не могут существенно изменить условия выноса шлама из призабойной зоны. Это объясняется тем, что основными факторами, определяющими эффективность очистки призабойной зоны являются, во-первых, схема промывки долота, во-вторых, его геометрия и, в-третьих, режимные параметры (скорость истечения, частота вращения долота и расход промывочной жидкости). Именно в таком порядке. Изменение свойств промывочного агента, даже такое радикальное, как переход от промывки водой на промывку глинистым раствором не может изменить картину выноса шлама. При этом уместно заметить, что и реологические свойства бурового раствора, столь важные для других буровых процессов при мощной турбулизации в призабойной зоне практически исчезают, и глинистый раствор ведет себя как ньютоновская ■кидкость, но с повышенной вязкостью относительно воды. Известно, что с точки ¡рения транспорта шлама буровой раствор имеет некоторые преимущества перед зодой. Несколько лучшая выносная способность раствора, по-видимому, сказалась

только в случае центральной промывки и при высоких частотах вращения долота. Причем анализ показал, что эти особенности раствора проявлялись при наиболее неблагоприятных сочетаниях режимных параметров, т.е. максимальной частоте вращения долота и минимальном расходе жидкости. Не случайно также, что это имело место именно при центральной схеме промывки, когда существуют достаточно организованные восходящие потоки во всех проёмах долота. При переходе на гидромониторную схему промывки, в т.ч. асимметричную, даже эти не столь заметные отличия перестали существовать по рассмотренным причинам.

Исходя из рассмотренных положений настоятельной необходимостью явилось экспериментальное исследование как принципов размещения, числа и конфигурации насадок, так и целого ряда конструктивных особенностей буровых шарошечных долот, что возможно реализовать только при исследовании серийных долот различных конструкций. Однако это не позволяла имевшаяся стендовая установка, ввиду её ограниченности диаметром долота 145 мм, в котором выпускается лишь весьма ограниченный ассортимент долот. Именно эти обстоятельства потребовали полной реконструкции стенда с использованием только методических основ и принципов проведения экспериментальных исследований, изложенных выше. Кроме того, для необходимых обобщений важно было установить влияние масштабного фактора.

В пятом разделе приводятся результаты экспериментального исследования геометрических параметров буровых шарошечных долот, масштабного фактора, свойств промывочного агента и формы забоя на эффективность очистки призабойной зоны от частиц шлама. Исследования указанных факторов осуществлялись при различных (базовых) схемах промывки долота, поскольку их влияние могло по-разному проявляться при изменении схемы промывки.

Исследование осуществлялось при следующих схемах промывки на долоте диаметром 190 мм:

центральное промывочное отверстие на долоте В190Т,

три обычные периферийные насадки,

две периферийные насадки на долоте В190ТГ,

три периферийные насадки на долоте румынского производства RB8-MB, двухшарошечное долото с двумя промывочными каналами, периферийные насадки, ориентированные под различными углами, периферийные насадки, имеющие различный диаметр выходного отверстия на одном долоте.

При центральном промывочном отверстии уровни ВИ составили 24,9 и 48,1% против 17,0 и 43,7% при диаметре долота 145 мм. Характер влияния отдельных режимных параметров не претерпел существенных изменений, Некоторый рост уровней ВИ можно объяснить изменениями в геометрических характеристиках долота В190Т, на котором проводились экспериментальные работы по сравнению с опытным долотом 145 мм. Надо учесть и то обстоятельство, что объемы шлама, подаваемые в зону долота, увеличились в полтора раза, что, по-видимому, также повлияло на абсолютное значение ВИ. В то же время анализ материалов скоростной киносъемки не выявил каких-либо заметных изменений в закономерностях выноса шлама у долот диаметром 145 и 190 мм.

При трех обычных периферийных насадках на долоте В190ТГ получено заметное снижение уровней ВИ: 52,0 и 61,2% против 79,5 и 81,3% на опытном долоте 145 мм. Как видно, эти изменения значительно более существенны, чем при центральном отверстии. Анализ картины выноса шлама позволил выявить причины

этих различий. Дело в том, что опытное долото было выполнено аналогично современным гидромониторным долотам, в частности, имело выступающие приливы на лапах для размещения выходного канала, в нижней части которого крепятся насадки. В долоте В190ТГ таких приливов нет и выходные каналы с насадками заглублены в тело лапы. Кроме того, ввиду заглубления насадки в тело лапы, ось насадки, а, значит, и истекающая из нее струя имеют больший, чем в современных долотах, угол наклона к вертикальной оси долота. Именно эти геометрические параметры и стали причиной улучшения условий выноса шлама при «устаревшем» долоте В190ТГ по сравнению с современными. Дело в том, что практическое отсутствие прилива между лапами существенно увеличило живое сечение в проёме для организации восходящего потока между пограничным слоем нисходящей струи и стенкой скважины. Кроме того, струя жидкости, отразившись от поверхности забоя, образовывала вдоль стенки скважины восходящий поток уже в более благоприятных условиях, когда нисходящая струя уже не занимает основную часть живого сечения. Таким образом и «механически» и гидравлически проём между лапами обеспечивал существенно лучшие условия для выноса шлама в восходящих потоках, что свидетельствует о большом влиянии геометрических характеристик элементов долота и направленности струи на вынос шлама из призабойной зоны.

Учитывая значительное влияние на гидродинамическую ситуацию в призабойной зоне конструктивных особенностей и внешней геометрии долота интерес представляет исследование процесса выноса шлама при работе долот зарубежного производства. В качестве примера было испытано долото ЯВ8-МВ румынского производства с тремя обычными насадками и отверстиями в лапах, изготовленного по американский лицензии.

Основные закономерности влияния отдельных режимных параметров процесса не претерпели существенных изменений по сравнению с имевшими место при работе опытного долота с отверстиями в лапах. В то же время было получено существенное улучшение условий выноса шлама: уровни ВИ для РВ8-МВ - 26,2 и 31,4% против 43,8 и 56,6% для опытного долота с отверстиями в лапах. Только изменением масштабного фактора объяснить столь большую разницу невозможно. Анализ показал, что основной причиной является существенно иная форма лапы румынского долота, имеющая специальные пазы под отверстия. В результате уже на высоте от забоя порядка 25-30 мм «завес» допота становится столь значительным, что, в нем шлам может беспрепятственно выноситься в затрубное пространство. Кроме того, лапы в румынском долоте выполнены более узкими, считая по дуге окружности, что приводит к существенному увеличению полезного живого сечения в проемах между лапами и обеспечению возможности выноса шлама между нисходящей струей и кромкой лапы. Именно эти конструктивные особенности и обеспечили столь благоприятные условия для выноса шлама при симметричной схеме промывки. Этот пример еще ра'з подтверждает, что внешняя конфигурация долота является неотъемлемой составляющей системы промывки забоя в целом.

При асимметричной схеме с двумя обычными насадками на долоте В190ТГ уровни ВИ составили 37,0 и 48,1%, что полностью соответствует результату, полученному при долоте 145 мм с двумя обычными насадками, при котором уровни ВИ были 37,8 и 48,5%. Такое удивительное совпадение результатов убедительно подтверждает весьма малую значимость масштабного фактора, когда другие особенности конструкции долота не оказывают существенного влияния на процесс. Именно это имело место при асимметричной схемё*промывки, когда практически весь объем шлама активно выносился через свободный проем, и прилив между лапами долота не оказывал заметного влияния на процесс. Это важное

обстоятельство объясняется тем, что рассмотренные выше положительные особенности долота В190ТГ имели место именно при трех работающих насадках, когда вынос шлама осуществляется в тех же проемах, в которых истекают нисходящие струи жидкости. При асимметричной схеме промывки картина выноса шлама, как указывалось, кардинально меняется, и в проёмах с двумя работающими струями выноса, практически, нет, а значит, нет и обнаруженного в предыдущих экспериментах эффекта улучшения выноса за счет возникновения восходящего потока между струей и стенкой скважины, а также увеличения живого сечения. Таким образом, различия в конструкции лап и приливов под насадки при асимметричной схеме перестают быть столь существенными. Для установления особенностей очистки призабойной зоны при кардинально иной геометрии долота было проведено исследование процесса на двухшарошечном долоте ЛД190МЭ с двумя периферийными каналами. Уровни ВИ составили 25,0 и 45,6%. Обращает на себя внимание большое различие уровней ВИ при низких и высоких частотах вращения долота. Анализ полученных уравнений регрессии показал, что в диапазоне низких частот вращения долота коэффициент при частоте вращения п составил +15,4, а при расходе Q -4,3, т.е. отрицательное влияние на процесс выноса увеличения частоты вращения кратно превышает положительное влияние увеличения расхода. В диапазоне высоких частот вращения происходит выполаживание кривой зависимости уровня ВИ от частоты вращения и более значимым становится уже расход жидкости (коэффициенты при Я - +5,2, а при Q - -9,2), т.е. картина меняется на противоположную. Эти явления легко объясняются на основе анализа материалов скоростной киносъемки процесса. Большие проёмы между лапами долота обеспечивают благоприятные условия выноса шлама, нисходящие потоки не занимают основную часть живого сечения, и вынос осуществляется аналогично центральной схеме. При переходе к высоким частотам вращения частицы .шлама уже не успевают подняться на высоту лапы за время её поворота на 180° и начинается их более активное попадание в «завес» долота, где они повторно измельчаются. При этом более заметную роль начинает играть расход жидкости, определяющий скорость восходящего потока, а значит, и частиц шлама, т.е. возникает картина, близкая к центральной схеме. Именно этим можно объяснить практически полное совпадение уровней ВИ при двухшарошечном долоте и периферийной промывке и трехшарошечном, но с центральным отверстием: 25,0 и 45,6% против 24,9 и 48,1%.

Для определения влияния износа вооружения на эффективность очистки призабойной зоны от шлама были проведены эксперименты на долоте с частично изношенным (на 25%) вооружением. Испытания проводились только в диапазоне частот вращения долота 200+600 об/мин. В результате было установлено, что износ вооружения оказывает существенное положительное влияние на вынос шлама при обычной гидромониторной схеме промывки, а при асимметричной схеме с двумя обычными насадками не отмечено заметного влияния износа вооружения на процесс выноса шлама. Это объясняется, по-видимому, снижением вихреобразования в межшарошечном пространстве на долоте с меньшей высотой зубьев, что существенно именно при симметричной промывке, когда вынос шлама, в особенности, из центральной области забоя происходит хаотически. При асимметричной схеме, когда образуется достаточно упорядоченный поперечный и затем восходящий в свободном проёме поток жидкости, влияние вихреобразования в межшарошечном пространстве снижается. Это, в свою очередь, упорядочивает и движение шлама в рассмотренном потоке жидкости.

Установленная высокая эффективность асимметричной схемы промывки с точки зрения 2-го процесса очистки забоя и симметричной схемы с точки зрения 1-го процесса постоянно ставит задачу нахождения наиболее универсальной схемы промывки, отвечающей требованиям, по меньшей мере, двух, а в лучшем случае, всех трёх процессов очистки. Эти вопросы и соответствующие решения уже были рассмотрены в предыдущем изложении. С этой же целью были проведены исследования схем промывки с различными диаметрами периферийных насадок, на одном долоте. Опыты проводились на долоте В190ТГ. Использовалась схема с двумя одинаковыми насадками и одной существенно меньшего диаметра при таком соотношении площади выходных сечений, чтобы сохранить установленные для всех предыдущих исследований значения расхода и скорости истечения. В результате эксперимент проводился при следующих соотношениях диаметров насадок: 5,5 - 5, 5 - 3, 8 мм; 7, 6 - 7, 6 - 5, 2 мм; 8, 0 - 8, 0 - 6, 2 мм; 11, 3 - 11 ,3 - 7, 6 мм. Эти соотношения и стали соответствующими уровнями планирования для интерполяционного эксперимента. В результате для схемы с тремя неравными насадками были получены уровни ВИ 46,8 и 45,3% против 52,0 и 62,3% для трех равных насадок. Полученные уравнения регрессии показали, что увеличение частоты вращения долота от 200 до 600 об/мин практически не повлияло на процесс. Наиболее существенное влияние оказывал расход жидкости, причем его влияние было на порядок большим, чем при обычной схеме с тремя одинаковыми насадками (коэффициенты при п соответственно: -1,5 и -15,4 для диапазона 50+200 об/мин; -1,2 и -12,9 для 200+600 об/мин). Анализ картины выноса шлама показал, что при неравных насадках, действительно, достигается эффект асимметричной схемы, когда основной объём шлама выносится через один проём, в котором установленная малая по диаметру насадка. При этом струя занимает в проёме малый объём и оказывает незначительное отражающее воздействие на поднимающийся шлам. Поскольку в этой насадке сосредоточен небольшой расход, эжектирующее воздействие на шлам малой струи минимально, а в отдельных опытах вообще отсутствует. Таким образом, рассмотренную симметричную схему промывки можно назвать «псевдоасимметричной» с точки зрения организации потоков в зоне долота и характера выноса шлама. Однако, учитывая, что малая струя все же обрабатывает поверхность забоя, сохраняются положительные особенности работы симметричных схем с точки зрения 1-го процесса очистки забоя, т.е. реализуется идея универсальной схемы.

С целью определения, какая часть общего объёма шлама измельчается в «завесе» долота, а какая - непосредственно на забое за счет воздействия вооружения долота был проведен специальный эксперимент. Для реализации поставленной задачи долото диаметром 190 мм было приподнято над забоем на высоту 14 мм, что исключает воздействие на поступающий шлам со стороны вооружения долота. Уровни ВИ составили 27,0 и 31,5%. В другой серии опытов использовалось долото 145 мм, что увеличило «завес» долота до 24 мм и полностью исключило измельчение шлама в «завесе». При этом установка долота была осуществлена обычным образом, т.е. до контакта вооружения с поверхностью забоя и шлам мог измельчаться только под долотом. Уровни ВИ составили 12,1 и 16,3%. Таким образом было установлено, что при центральном промывочном отверстии, т.е. схеме, наиболее благоприятной с точки зрения выноса шлама из призабойной зоны, соотношение, между шламом, повторно измельчаемом на поверхности забоя вооружение долота и шламом, измельчаемом в «завесе» долота составляет порядка 1:2. При этом анализ уравнений регрессии показал, что при долоте 145 мм (измельчение только на забое) расход промывочной жидкости

является незначимым фактором, во всем диапазоне изменения частот вращения долота. В то же время для шлама, выносимого только в «завесе» долота, расход жидкости всегда влияет на процесс, а частота вращения оказывается существенным фактором только в диапазоне высоких частот вращения.

Для определения характера влияния на процесс выноса шлама формы забоя был проведен специальный эксперимент. Предварительно была изучена форма забоя, которая фактически образуется при бурении горной породы (мрамора) долотами В190Т и В190ТГ на буровой стендовой установке. Затем полученная форма была воспроизведена специально изготовленной алюминиевой забойной перфорированной плитой, смонтированной вместо обычного плоского перфорированного забоя, на котором проводились все экспериментальные работы. При центральной схеме промывки на фигурном забое уровни ВИ составили 33,0 и 54,0% против 24,0 и 48,1% на плоском. При гидромониторной схеме промывки: 55,2 и 54,4% против 52,0 и 61,2%. Хотя принципиальных изменений в характере выноса шлама не произошло, следует отметить выявленную тенденцию к увеличению вторичной измельчаемости шлама при фигурном забое. Это объясняется более затрудненным выносом шлама вдоль поверхности забоя за счет уменьшения свободных пространств и зазоров между вооружением долота и забоем, что в большей степени проявляется при центральной схеме промывки. В этом случае, как указывалось, имеет место достаточно организованный поток жидкости вдоль поверхности забоя, выносящий шлам от места его появления на забое к периферии. При гидромониторной схеме промывки вынос шлама из-под шарошек происходит значительно более хаотично и форма забоя не может заметно повлиять на процесс выноса.

В шестом разделе приводятся результаты экспериментальных исследований процесса выноса шлама из призабойной зоны при работе бурильных головок различных конструкций. Учитывая очевидную специфику условий образования и выноса шлама при этом виде породоразрушающего инструмента, в методику и, главное, конструкцию забойной части стендовой установки были внесены существенные изменения. В первую очередь это было связано с необходимостью существенно изменить форму забоя в центральной части, где образуется керн и где шлам, естественно, не образуется. Был использован опыт, полученный при конструировании и монтаже фигурного забоя, а также при исследовании выноса шлама только из центральной и только из периферийной частей забоя. В результате были обеспечены условия очистки призабойной зоны, приближенные к реальным, в частности, в центре забоя был смонтирован стержневой выступ, моделирующий керн, а шлам подавался только в периферийную часть забоя, где находится вооружение бурголовки. Из режимных параметров вариации подвергались только два параметра: расход промывочной жидкости и частота вращения бурголовки. В остальных аспектах методика экспериментальных работ была принята аналогичной исследованиям долот для сплошного бурения, изложенным в четвертом и пятом разделах. В опытах использовались серийные бурголовки диаметром 187,3/80 мм, Для каждой бурголовки проводилось два вида экспериментов: с закрытым и с открытым отверствием для кернорвателя, поскольку в этих случаях условия выноса шлама могут меняться.

При работе колонковой бурильной головки типа 17НК 187.3/80 МСЗ уровни ВИ составили: 73,2% для закрытого отверстия кернорвателя и 72,9% для открытого. Неожиданно оказалось, что наличие перетока жидкости через отверстие в кернорвателе в керноприемное отверстие бурильной головки не сказалось на

эффективность выноса шлама. Есть основания полагать, что в центральной части забоя образуется закрученный поток жидкости и некоторый перепад давления, который как бы запирает живое сечение отверстия кернорвателя, и, казалось бы, открытое отверстие не обеспечивает переток жидкости из верхней части колонны в керноприемное отверстие бурголовки.

Что касается весьма высокого уровня ВИ, то этот результат легко объясним самой конструкцией данной бурголовки, имеющей 8 небольших шарошек, расположенных попарно и образующих квадрат, вписанный в окружность скважины. В результате живые сечения, по которым может выноситься шлам, чрезвычайно стеснены.

Совершенно другая картина имеет место при работе бурголовки КУК-187.3Щ М. которая по своей конструкции аналогична ступенчатым лопастным долотам, армированным твердосплавными штырями. Это обеспечивает достаточно свободные пространства (проёмы) между лапами для эффективного выноса шлама. В результате уровни ВИ для этой головки составили 31,6 и 35,4%. Анализ картины выноса шлама показал, что форма лапы головки, имеющей острую вертикальную кромку, также оказала положительное воздействие на вынос шлама, поскольку частицы шлама, соударяясь с набегающей лапой, не «затирались» в «завесе», а отражались и далее беспрепятственно выносились в затрубное пространство. Аналогичная картина уже наблюдалась на специальном долоте с одной вертикальной насадкой и двумя свободными от приливов под насадку проёмами (см. раздел 5), которое имело аналогичную геометрию лапы, отличную от скругленной формы лап большинства серийных долот.

При работе бурголовки типа 6ВК уровни ВИ составили 59,1 и 58,5%. Данная бурголовка имеет три дискообразные шарошки, армированные твердосплавными штырями, которые монтируются на т.н. вывернутых лапах, цапфы которых установлены с консолью наружу, а не внутрь, как это обычно делается. При этом промывочные каналы выведены между шарошками, как у обычных гидромониторных долот, но не имеют насадок. Наличие достаточно больших проёмов между лапами обеспечило более благоприятные условия выноса шлама, чем, например, у головки типа 17НК, однако значительно худшие, чем для головки типа КУК. Этот факт можно объяснить тем, что при работе данной головки имеет место тот же эффект отражения шлама нисходящими потоками жидкости, который был обнаружен для обычных гидромониторных долот. Разумеется, низкая скорость истечения этих потоков (струй) оказывает меньшее отражающее и эжектирующее воздействие на шлам, чем скоростная струя, однако отрицательное воздействие на процесс, безусловно, имеет место. Тем более, что низкоскоростная струя занимает в проёме весьма значительный объём, визуально даже больший, чем обычная струя жидкости.

При работе бурголовки 21НК 187,3/80 ТКЗ уровни ВИ составили 58,1 и 41,1%. Основным отличием процесса при работе данной головки явилась значительная разница между закрытым и открытым отверстием кернорвателя, чего не наблюдалось ранее. Достаточно высокий уровень ВИ при закрытом отверстии объясняется конструкцией головки, вооруженной шестью шарошками, в том числе тремя конусными и тремя цилиндрическими, размещенными на лапах, близких по своей конфигурации к обычным лапам шарошечных долот. При этом гидравлические каналы направлены как на шарошки, так и между ними. Пространства между лапами для выноса шлама чрезвычайно стеснены. Кроме того нисходящие между лапами потоки отражают поднимающийся шлам, а сами лапы выполнены более высокими, чем в рассмотренных головках, что также увеличивает промежуток времени,

отведенный частице для выхода в затрубное пространство. При открытии отверстия кернорвателя ввиду плоской формы формируемого забоя, образуется достаточно упорядоченный поток от центра к периферии забоя. Это обстоятельство и является, по-видимому, объяснением снижения уровня ВИ при открытии центрального отверстия, поскольку возникает эффект комбинированной схемы промывки.

Экспериментальное исследование процесса выноса шлама из призабойной зоны при работе бурголовок не только дало возможность впервые визуализировать процесс и оценить его эффективность объективными характеристиками, но и позволил уточнить целый ряд результатов, полученных для буровых шарошечных долот. В итоге выявлены важные аналогии и сформулированы дополнительные рекомендации по геометрии проёмов между лапами, их конфигурации, схемам и режимам промывки как для бурголовок, так и для долот сплошного бурения.

В седьмом разделе изложены результаты экспериментального исследования 3-го процесса очистки забоя, а именно, процесса очистки вооружения долота от сальника. Сразу необходимо подчеркнуть, что т.н. «самоочистка» долот типа М и им аналогичных за счет механического воздействия вооружения долота на породу, запрессованную в межвенцовых пространствах, происходит только до износа зубьев на 20-25%. В дальнейшем, т.е. в течение большей части рейса долота, самоочистки межвенцовых пространств не происходит. Однако это - только одна причина неэффективности самоочистки. Другая, более важная причина связана с тем, что межзубцовые пространства, ответственные за «агрессивность» вооружения, в принципе не могут самоочищаться иначе, как гидравлическими методами. Эти положения настоятельно требуют тщательного и целенаправленного изучения процесса очистки вооружения изолированно от двух других процессов очистки и разработки эффективных, в основном, гидравлических методов решения проблемы. Вполне естественно, что эти методы, в первую очередь, связаны с разработкой новых схем промывки буровых шарошечных долот и соответствующих режимов промывки, и также методов выбора существующих схем промывки, благоприятно воздействующих именно на 3-й процесс очистки забоя. Сопутствующей задачей, как и ранее, является разработка достаточно универсальной схемы, т.е. благоприятно воздействующей как на 3-й, так и на 2-й процессы очистки забоя одновременно, поскольку анализ показал, что практически не существует горно-геологических условий, когда при доминирующем или существенном влиянии на показатели работы долот 3-го процесса очистки столь же существенным являлся бы *и 1-й процесс очистки забоя. В то же время достаточно часто встречаются условия, при которых существенно влияние как 3-го, так и 2-го процессов очистки одновременно.

Поскольку никогда ранее экспериментальное исследование очистки вооружения долота в стендовых условиях не проводилось, особое внимание было уделено методике проведения работ. В результате была определена 4-х компонентная смесь из песка, цемента, алебастра и воды и соответствующее соотношение между этими компонентами для воспроизведения сальника на вооружении долота. Указанная масса наносилась на вооружение долота до вершин зубьев шарошек, и долото с указанным сальником в течение определенного времени выдерживалось в печи при температуре 200°С для его закрепления на вооружении. Эффективность очистки вооружения или «сальникоудаления»-(СУ) определялась по массе удаленного с вооружения сальника в процентах в течение 30 секунд промывки при конкретных для данного эксперимента условиях. Расход во всех опытах был постоянным и составлял 11 л/с, частота вращения долота варьировалась от 200 до 400 об/мин, скорость истечения - от 45 до 85 м/с. Исследовались обычная гидромониторная

схема промывки с тремя обычными насадками, асимметричная схема с двумя обычными насадками, центральная с одной центральной насадкой и специально разработанные ориентированные схемы промывки с насадками, направленными в различные области забоя и межшарошечного пространства.

При обычной гидромониторной схеме наиболее значимым параметром оказалась скорость истечения жидкости из насадок, а частота вращения долота практически не влияла на процесс сальникоудаления. Так уровень СУ при росте скорости истечения с 45 до 85 м/с увеличился в 6 раз (с 9,1 до 56,1%). При этом очистке подвергалась, в основном, периферийная часть вооружения, что легко объясняется наличием достаточно мощных отраженных от забоя потоков жидкости и, в определенной степени, действием пограничного слоя нисходящей расширяющейся струи. В то же время в центральной части долота сальник практически не удалялся. Однако, учитывая, что основная масса сальника находится на периферийных венцах, имеющих больший диаметр и большее число зубьев, чем у центральных, масса удаленного сальника была значительна. Малое влияние на процесс частоты вращения долота легко объясняется тем, что сальникоудаление, в первую очередь, зависит от времени прямого воздействия на сальник со стороны прямых и отраженных струй жидкости, т.е. от сугубо гидродинамических процессов. Поэтому частота вращения долота, в отличие от 2-го процесса очистки забоя', при 3-м процессе очистки, в принципе, не может оказаться существенным фактором, поскольку повышение турбулизации в зоне долота за счет роста частоты его вращения пренебрежимо мало по сравнению с турбулизацией, возникающей за счет действия струй промывочной жидкости.

При асимметричной гидромониторной схеме с двумя обычными насадками общий уровень СУ составил 34,8% при 400 об/мин против 56,1% при симметричной схеме. Столь значительное снижение эффективности очистки вооружения долота при асимметричной схеме объясняется тем, что турбулизация в зоне шарошек существенно уменьшается за счет образования упорядоченного поперечного потока вдоль забоя по направлению к свободному проему, что весьма благоприятно для 2-го процесса очистки и столь же неблагоприятно для 3-го.

При центральной схеме промывки уровень СУ составил 50,8%, что несколько хуже, чем при симметричной гидромониторной схеме, но лучше, чем при асимметричной. Этот результат объясняется прямым воздействием гидромониторной струи на вооружение долота, что обеспечило достаточно высокий уровень СУ и практически полную очистку центральных венцов. Однако даже прямое струйное воздействие на сальник в центральной зоне долота дало несколько худший результат, чем воздействие на периферийный сальник отраженными и, потому, потерявшими энергию потоками при обычной гидромониторной схеме. Это объясняется изложенными выше причинами, связанными с тем, что основная масса сальника формируется именно на периферийных венцах. Поэтому сама по себе очистка периферийных венцов в большей степени влияет на уровень СУ, чем центральных.

Приведенные эксперименты дали вполне ожидаемый результат: гидромониторная схема промывки положительно воздействует на очистку периферийных венцов, а центральная - на очистку центральных. При этом асимметричная схема менее эффективна, чем две указанные базовые.

Естественно анализировался вопрос о том, как создать схему промывки, при которой непрерывной очистке подвергается все вооружение долота. В результате была предложена т.н. ориентированная схема промывки, которая предусматривает одну обычную насадку и две изогнутые, ориентированные таким образом, что струи

жидкости направлены внутрь долота. Будем называть зенитный угол наклона насадки (струи) внутрь долота по направлению в межшарошечное пространство отрицательным в отличие от положительного как у обычных насадок, направленных наружу к периферии забоя. При этом обычная насадка направлена под углом +18°. Для гидравлической обработки практически всего вооружения достаточно выполнить изогнутыми только две насадки, а третью оставить в обычном положении. Эти схемы были изучены экспериментально. Кроме того изучались: схема с двумя насадками, имеющими положительные, но разные углы, и с одной изогнутой внутрь, асимметричная схема с двумя изогнутыми насадками, а также схема с отверстиями в лапах при ориентированных насадках.

В результате экспериментальных исследований ориентированных схем промывки оказалось, что наилучшие показатели обеспечила схема промывки с углами насадок +18, -8 и ~6 град. Более того при скорости истечения 85 м/с эта схема обеспечила полное удаление сальника с вооружения долота (уровень СУ 100%), что почти в 2 раза лучше, чем для гидромониторной (56,1%) и центральной (50,8%) и в 3 раза лучше, чем для асимметричной схемы (34,8%). Из режимных параметров наиболее значимой оказалась скорость истечения жидкости, затем расход жидкости, а частота вращения по-прежнему практически не влияла на процесс.

С целью определения эффективности 2-го процесса очистки для ориентированных схем промывки были проведены специальные эксперименты. Средний уровень ВИ при варьировании углов ориентации насадок в указанном выше диапазоне составил 31,2%, что лучше, чем для базовых схем. Таким образом и с точки зрения выноса шлама из призабойной зоны ориентированные схемы промывки оказались также весьма эффективными, что свидетельствует об их универсальности по отношению ко 2-му и 3-му процессам очистки забоя. Поскольку ориентированная схема предусматривает и прямое струйное воздействие на поверхность забоя за счет работы по меньшей мере одной насадки, есть основания полагать, что указанная схема благоприятна и для 1-го процесса. Однако этот процесс в условиях сальникообразования не может являться существенным, в связи с чем последнее обстоятельство играет лишь подчиненную роль.

Однако обобщенные выводы об эффективности схем и режимов промывки буровых шарошечных долот могут быть сделаны только на основании широких и целенаправленных промысловых исследований в различных горно-геологических условиях проводки скважин, а также анализа результатов массовой отработки долот с различными схемами промывки в различных нефтегазодобывающих регионах страны.

В восьмом разделе_приводятся результаты промысловых испытаний буровых долот с периферийной и центральной схемами промывки на месторождениях Восточной Украины и Башкирии. Целью этих испытаний явилось определение эффективности долот с указанными схемами промывки при частотах вращения долота от 400 до 675 об/мин в существенно различных горно-геологических условиях при промывке скважин водой и глинистым раствором. Важнейшим методическим аспектом испытаний было обеспечение независимости режимов и схем промывки забоя от энергетических параметров забойного двигателя. В связи с этим в качестве привода долота во всех испытаниях был выбран электробур как единственный забойный двигатель, обеспечивающий возможность в любых диапазонах изменять расход промывочной жидкости и перепад давления на долоте без изменения своих энергетических и моментных характеристик. При этом

невозможность проводить испытания в роторном бурении объяснялась ещё одной целью работы, которая заключалась в определении эффективности гидромониторных долот именно при высоких частотах их вращения, характерных для наиболее распространенного у нас в стране турбинного бурения.

Опытные буровые обеспечивались контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратурой, фиксирующей, в частности, текущие изменения активного и реактивного тока и мощности в цепи электробура по фазам. Это давало возможность непрерывного мониторинга момента на долоте, привязанного к интервалу разбуривания. Для обеспечения возможности работы при повышенных перепадах давления на долоте при любом технологически необходимом расходе промывочной жидкости в испытаниях использовались импортные насосы «Мареп» на Шебелинском месторождении и «Эмско-Континенталь» - в Башкирии. Опытное бурение при выбранных режимах и схемах промывки забоя осуществлялось целиком по скважине, а в качестве базы сравнения использовались данные об отработке долот по близлежащим скважинам. Кроме того велся пометровый хронометраж с заполнением специальных форм на каждый рейс долота, куда вносились и сведения о характере его износа по стандартизованной методике. На выходе циркуляции отбирались пробы шлама и проводился его фракционный анализ.

На Шебелинском месторождении было проведено 10 опытных скважин, на которых было отработано 228 долот с периферийной схемой промывки и 27 долот с центральной схемой при общей проходке около 10 тыс. метров. При скорости истечения из насадок долота в диапазоне от 50 до 100 м/с во всех стратиграфических разрезах месторождения было получено существенное увеличение механической скорости и проходки на долото при преимущественном росте проходки. В интервалах бурения свыше 2000 м рост показателей составил порядка 20-60%, а в верхних интервалах, где имело место сальникообразование на долоте на триасовых и юрских отложениях в отдельных случаях проходка на долото по сравнению с долотами, имевшими центральную схему промывки, увеличилась в 3-5 раз. Таким образом, было показано, что при промывке скважин глинистым раствором, в особенности, утяжеленным мощное струйное воздействие на поверхность забоя приводит к существенному улучшению протекания 1-го процесса очистки забоя не только при низких, но и при высоких частотах вращения долота, характерных для турбинного бурения. Чрезвычайно интересным представляется и результат, полученный в сальникообразующих породах, когда при центральном промывочном отверстии бурение нередко просто останавливалось из-за катастрофического сальникообразования на долоте. При использовании долот с периферийной схемой промывки уже при скоростях истечения около 50 м/с был получен указанный выше кратный рост механических показателей бурения. Это свидетельствовало о значительных возможностях гидромониторных долот и с точки зрения резкого улучшения 3-го процесса очистки. Однако анализ износа долот показал, что центральные венцы изнашиваются существенно больше периферийных, что свидетельствует об усложненном процессе выноса шлама из центральной зоны долота при периферийной схеме промывки. Все эта результаты убедительно подтверждают выводы, полученные в экспериментальных исследованиях.

При опытном бурении на месторождениях Башкирии при скоростях истечения от 50 до 120 м/с в карбонатных породах и при промывке скважин водой было отработано 563 долота при общей проходке свыше 17 тыс. метров. В этих условиях была получена совершенно иная картина, Практически по всему разрезу месторождений гидромониторные долота оказались абсолютно неэффективными по

сравнению с долотами, имеющими центральную схему промывки (как с центральной насадкой, так и с обычным промывочным отверстием). Падение механических показателей при использовании гидромониторных долот составляло от 10 до 60% при повышении износа долот по диаметру и усилении износа центральных венцов. Эти результаты легко объясняются данными экспериментальных исследований, изложенных выше. При этом следует подчеркнуть, что в данных условиях бурения 1-й и 3-й процессы очистки практически не влияют на показатели работы долот по рассмотренным причинам и 2-й процесс является абсолютно доминирующим. Разумеется, такие условия бурения не являются типичными для большинства других месторождений. Однако эти условия позволили поставить промысловый эксперимент, выявляющий влияние 2-го процесса практически в изолированном виде, аналогично тому, как это делалось в лабораторных условиях.

Для установления влияния скорости истечения жидкости из центральной насадки были проведены промысловые исследования при значениях этого параметра от 45 до 90 м/с. Оказалось, что двойное повышение скорости истечения при центральной схеме промывки не приводит к положительным результатам, Видимо, уже при невысоких скоростях истечения центральная схема промывки обеспечивает вполне благоприятные условия для выноса шлама в проемах между лапами. При этом и возможное положительное воздействие высокоскоростной струи на очистку вооружения долота является невостребованным, ввиду практического отсутствия сальникообразования при бурении в карбонатных породах и промывке водой.

Анализ фракционного состава шлама показал, что переход от долот с центральной схемой промывки к гидромониторной приводит к существенному снижению объема крупных фракций шлама, а также к росту удельной работы разрушения, в то время как на Шебелинском месторождении наблюдалась прямо противоположная картина.

В девятом разделе приводятся результаты промысловых исследований долот с различными схемами промывки в роторном и турбинном бурении на месторождениях Самарской, Оренбургской областей и Белоруссии при промывке скважин глинистым раствором, а также водой на глубинах от 2000 до 4700 м.

Сравнение эффективности гидромониторных долот в роторном и турбинном бурении всегда было сопряжено с определенными трудностями. Как правило, это было заочное сравнение, когда пытались сравнивать американское роторное и отечественное турбинное бурение, реализуемые в совершенно несопоставимых условиях. Однако даже в отечественном бурении такое сравнение вызывает трудности, поскольку в каждом регионе существует сложившаяся практика, предусматривающая, как правило, преимущественное развитие или роторного или турбинного бурения. В целом ряде регионов сложилась практика применения турбинного бурения с использованием роторного способа только для вскрытия продуктивного горизонта, в частности, при переходе на промывку глинистым раствором и т.д. Большие проблемы в течение долгого времени были связаны с невозможностью реализовать на долоте значительные перепады давления в турбинном бурении. Эти и другие причины общеизвестны и нет необходимости останавливаться на них более детально.

В предыдущем разделе были приведены результаты оценки эффективности гидромониторных долот по сравнению с долотами, имеющими центральную схему промывки при частотах вращения долота и осевых нагрузках, характерных для турбинного бурения, и перепадах давления на долоте, характерных для американского роторного бурения, но при использовании электробура. При

1л

очевидной важности этих результатов безусловный интерес представляют промысловые исследования долот с периферийной и центральной схемами промывки при прямом сравнении их эффективности в роторном и турбинном бурении в сопоставимых условиях. Самарская область является одним из немногих регионов страны, где практически одинаково широко применяются оба основных способа бурения, что и предопределило выбор этого региона для проведения соответствующих испытаний.

Опытное бурение проводилось в интервалах глубин от 2 до 3 тыс. метров при скоростях истечения на уровне 60 м/с, что позволило в турбинном бурении не применять специальное оборудование. При использовании долот в габарите 214 мм расход промывочной жидкости в турбинном бурении составлял 32-35 л/с, в роторном - 22-25 л/с. Частота вращения ротора составляла 80 об/мин, турбобура типа ТСШ по данным I I I порядка 650-700 об/мин.

Обобщение результатов испытаний дало возможность сделать предсказуемый вывод о том, что применение гидромониторных долот при промывке глинистым раствором, в том числе, утяжеленным в роторном бурении более эффективно, чем в турбинном. Так если в роторном бурении повышение показателей на гидромониторные долота по сравнению с долотами, имеющими центральную схему промывки, было эффективно по всему разрезу, за исключением Доманиковского горизонта, то в турбинном бурении эффективность гидромониторных долот носила избирательный характер и была, как правило, выше в пластичных глинистых породах и соответственно ниже в более твердых. Это объясняется, по-видимому, эффектом очистки вооружения (3-й процесс очистки).

В то же время наличие твердого гранулированного шлама, в особенности при высоких частотах вращения долота, ухудшало 2-й процесс очистки. Говоря о 1-м процессе очистки забоя можно высказать предположение, что при турбинном бурении вращающееся с весьма высокой скоростью долото само является как бы механическим очистителем поверхности забоя, более интенсивно отрывающим частицы шлама от места их образования. Это в определенной степени может снижать эффект гидродинамического воздействия на шлам, прижатый дифференциальным давлением, за счет действия струй. Одновременно следует обратить внимание на тот факт, что полутора кратное снижение расхода промывочной жидкости при роторном бурении практически не сказалось на показателях работы долот. Это еще раз подтверждает, что для целей очистки забоя величина расхода жидкости, выбираемая исходя из требований транспорта шлама по стволу, вполне достаточна или даже превышает технологически необходимый расход для очистки забоя, что полностью согласуется с результатами лабораторных исследований. Если же расход выбирается, исходя из требований к характеристикам забойного двигателя, то он может превышать технологически необходимый кратно. Аз этого следует парадоксальный, на первый взгляд, вывод о том, что для целей эчистки забоя расход не надо выбирать вообще. Достаточно его правильно выбрать, 1сходя из условий транспорта шлама по стволу, что является самым рациональным 1 обоснованным выбором, или исходя из условий эффективной работы забойного 1вигателя, что является вынужденной мерой. Что касается прямого сравнения |ффективности гидромониторных долот в роторном и турбинном бурении, то этот юпрос остается достаточно сложным и следует, по-видимому, ограничиться ачественными оценками, поскольку эти два способа предопределяют слишком юльшое, по-видимому, число различий в механизмах разрушения забоя, бразования шлама, других физических и режимных параметрах бурового процесса ,ля того, чтобы изолированно выделить влияние именно схемы промывки.

В Оренбургской области было проведено два цикла испытаний. Целью первого цикла явилось определение эффективности различных схем промывки долота и забоя для условий глубокого бурения. Испытания проводились на глубинах от 3000 до 4700 метров на скв. №23 Веселовской площади. В процессе испытаний проводилось сравнение эффективности обычных гидромониторных долот с долотами, имеющими асимметричную и комбинированную схемы промывки в условиях роторного бурения с использованием американского насоса ЭМСКО-КОНТИНЕНТАЛЬ. Опытные долота были разработаны на базе долота 111215,9 СЗ-ГНУ. Их отличительной особенностью явилась комбинированная асимметричная схема промывки с центральной насадкой и двумя периферийными насадками, оказавшаяся весьма эффективной по данным лабораторных исследований. Для увеличения полезного живого сечения в свободном от насадки проеме, в котором выносится основная масса шлама при асимметричной схеме промывки, соответствующая лапа была выполнена без бобышки под насадку. Это увеличило указанное живое сечение свободного от насадки проеме более чем на 50%.

Ввиду относительной однородности разреза осуществлялся поочередный спуск опытных долот с комбинированной, асимметричной (без центральной насадки) схемой промывки и обычных долот. Скорость истечения на всех долотах поддерживалась в диапазоне 90-И 10 м/с. В результате было получено значительное увеличение механической скорости на долота с комбинированной схемой промывки (на 33%) при незначительном росте проходки на долото (всего на 7%) по сравнению с серийными долотами. Последующий анализ износа долот показал, что опытные долота имели брак по запрессовке зубков, что приводило к их выпаданию. Это объяснило тот факт, что в конце долбления скорость проходки резко падала, в то время как в течение первых 2/3 долбления она превосходила полученную на обычных долотах в 2,5-3 раза, а также факт весьма малого прироста проходки на долото. Применение долот с асимметричной системой промывки по сравнению с симметричной обеспечило некоторый рост проходки на долото (на 11%).

Второй цикл испытаний на Веселовской площади был проведен на скв. №24 и имел целью определение относительной эффективности долот в габарите 215.9 мм с тремя, двумя и одной периферийными насадками в турбинном бурении и при промывке скважины водой на глубинах от 1600 до 2600 метров методом поочередного спуска по 6 долот на каждую схему промывки. Долота спускались по схеме 3-2-1 насадка. При схеме с тремя насадками получены средняя механическая скорость 6,7 м/час и проходка на долото 44,6 м. При двух насадках - 8,5 м/час и 55,4 м, при одной насадке - 9,3 м/час и 50,6 м. Преимущество асимметричной схемы с двумя насадками по сравнению с тремя насадками легко объясняется результатами, изложенными в 4-м и 5-м разделах. В то же время дальнейшее повышение, хотя и незначительное, механической скорости, полученное при одной работающей насадке по сравнению с двумя оказалось неожиданным и может быть объяснено повышением ударного воздействия на забой одной мощной струи, в которой сосредоточен весь расход жидкости при большом диаметре насадки. Однако основной недостаток схемы промывки с одной насадкой, связанный с активной эжекцией шлама к мощной струе жидкости (см. раздел 4) обусловил некоторое снижение часовой стойкости долота и снижение проходки на долоте по сравнению с долотами, имеющими две работающие насадки.

Анализ износа вооружения отработанных долот показал, что число сколов зубков при двух насадках было наименьшим, что свидетельствует о более благоприятных условиях работы вооружения при асимметричной схеме именно с двумя насадками. Аналогичные выводы можно сделать и при работе опор. Так при

обычной схеме с тремя насадками 4 долота были подняты с заклинкой шарошек, а одно долото имело катастрофический износ с полным выкрашиванием опор. Подобного износа при асимметричной схеме не наблюдалось, что также подтверждает выводы, полученные на основании стендовых испытаний.

Опытное бурение на площадях объединения «Беларусьнефть» проводилось в верхней солевой толще в интервале 250-г-750 м роторным способом. Целью этих исследований явилось определение эффективности долот в габарите 295,3 мм, имеющих центральную схему • промывки по сравнению с обычными гидромониторными долотами с симметричной схемой промывки при высоких перепадах давления (до 14 МПа), и при различных расходах промывочной жидкости. На скв. №59 использовалось отечественное наземное оборудование, а на скв. №55 - оборудование зарубежного производства (насос Р-11, вибросита «Свако», песко- и илоотделитель «Демко»)- Центральная схема промывки реализовывалась с использованием специально разработанной телескопической центральной насадки. Все промывочные узлы как центральной, так и периферийных насадок дополнительно герметизировались специальным составом на основе эпоксидных смол. В результате схема промывки с центральной телескопической насадкой оказалась более эффективной, чем гидромониторная симметричная схема по всему интервалу разреза. Расход промывочной жидкости варьировался в весьма широком диапазоне - от 40 до 20 л/с. Было, в частности, показано, что кратное снижение расхода при центральной схеме промывки не привело к снижению ни механической скорости, ни проходки на долото. Наиболее рациональное значение расходов составило величину порядка 22-24 л/с, в то время как обычно для долота в габарите 295 мм расход составлял порядка 35-38 л/с и более. Это еще раз подтвердило, что при правильно выбранной схеме промывки забоя расход промывочной жидкости может быть существенно снижен. Сама по себе эффективность схемы промывки с центральной насадкой по сравнению с обычной симметричной гидромониторной схемой объясняется тем, что на небольших глубинах даже при промывке глинистым раствором 1-й процесс очистки не является проблемой, поскольку дифференциальные давления невелики и главной задачей является своевременная эвакуация значительных масс шлама из призабойной зоны, что эффективно обеспечивается центральной схемой промывки. Поскольку бурение осуществлялось в солевой толще сальникообразования на вооружении долота также не отмечалось даже при относительно небольших расходах промывочной жидкости. Анализ фракционного состава шлама показал, что при этом выносились достаточно крупные фракции (порядка 10 -12 мм) и отсутствовали осложнения, связанные с затяжкой инструмента, в т.ч. и при относительно длительных остановках циркуляции.

В десятом разделе приводятся результаты промысловых исследований эффективности различных схем промывки долота в условиях месторождений Западной Сибири. Это были первые в Западной Сибири целенаправленные исследования эффективности асимметричных схем промывки. Они были проведены нами в 1974 г. на Самотлорском месторождении в Нижневартовском УБР №1 при перепадах давления на долоте до 10 МПа с использованием турбобуров ЗТСШ-195ТЛ на кусте №128. Несмотря на весьма высокий уровень показателей, достигнутых на базовых скважинах за счет высоких перепадов давления на долотах, имеющих обычную симметричную схему промывки, применение асимметричных схем обеспечило дальнейший значительный рост проходки на долото, а именно: 314 м против 241 м в среднем по всем скважинам при сохранении уровня механической скорости. Очевидное повышение часовой стойкости допот с

асимметричной схемой промывки может быть объяснено улучшением условий работы опор, поскольку при этом лишь незначительная часть шлама попадает в завес долота, а основная масса шлама выносится в свободном от насадки проеме. Причем была выявлена четкая тенденция к повышению показателей асимметричной схемы промывки на глубинах ниже 1700 м, где отмечен и рост механической скорости. Анализ показал, что это явление может быть объяснено тем, что на малых глубинах при уровне механической скорости порядка 100 м/ч свободный проем не справляется с выносом огромных масс шлама, что приводит к образованию сальника в этом проеме. При уровне механической скорости ниже 30 м/ч этого явления не наблюдалось, а в нижних интервалах, в особенности, при использовании низкооборотной турбины 34/11 вместо 28/18 имел место и существенный рост механической скорости: 29,0 против 22,3 м/ч. Это также подтвердило полученный в стендовых условиях вывод о повышении эффективности асимметричной схемы промывки при снижении частоты вращения долота. Именно эти первые промысловые испытания позволили нам сделать вывод о том, что для условий Западной Сибири, в особенности, верхних интервалов разреза, которые характеризуются весьма высокими скоростями проходки, мало просто заглушить одну насадку - необходимо освободить свободный проем от бобышки, которая занимает 70% его живого сечения и одновременно удлинить две работающие насадки. Эта схема промывки была реализована в долоте 111215, 9 МЗ-ГВ-З, которое в 80-х годах стало одним из самых эффективных долот в Западной Сибири.

Другой цикл промысловых испытаний был проведен с целью определения эффективности ориентированных схем промывки. Испытания проводились по всему разрезу Правдинского. Усть-Балыкского, Мамонтовского и Толумского месторождений. Всего на месторождениях Среднего Приобья было проведено 25 опытных скважин. Сравнение результатов осуществлялось, как правило, с результатами отработки однотипных долот на скважинах одного куста. Особое внимание уделялось анализу свойств горных пород по интервалам разреза, что позволило установить эффективность ориентированных схем промывки применительно к конкретным интервалам разбуривания, а значит, и к конкретным доминирующим процессам очистки забоя. Ориентированные схемы промывки реализовывались на долотах различных типов с применением специальных гнутых насадок из стали и минералокерамики. Минералокерамические насадки показали более высокую износостойкость, однако имели место сломы насадок при спуско-подъемных операциях. В результате была разработана и реализована новая конструкция промывочного узла, которая предусматривала использование обычной короткой насадки, но установленном в специальном составном ориентированном стакане, имеющем дополнительную систему уплотнений. Эта конструкция показала достаточно высокую надежность, несмотря на определенную сложность в изготовлении и монтаже.

Ориентированные схемы промывки, реализованные на долотах 111215,9 СГН, 111215,9 МЗГ, 5К-214 СГВ, 9М-212.7 и других, показали высокую эффективность по всему разрезу от 400 до 2700 м, что в среднем по всему объему опытного бурения привело к росту проходки на долото на 44%, а механической скорости на 28%. При этом в верхнем интервале разреза в мягких пластичных глинах люлинворской свиты, где доминирует 3-й процесс очистки, в отдельных случаях отмечалось увеличение механической скорости в 2,7 раза. Аналогичные результаты были получены в алевролитах с небольшими пропластками песчаников и глин (березовская, кузнецовская и уватовская свиты). В интервале 1700-2300 м, сложенном, в основном, аргиллитами и песчаниками, где доминирует уже 2-й процесс очистки,

рост механической скорости составил 23-25%, а проходки на долото - 24-31%. Нижний интервал разреза от 2300 до 2700 м характеризуется наличием достаточно твердых и абразивных песчаников с пропластками глин, что предъявляет особые требования к универсальности схемы промывки. В результате в отдельных случаях рост механической скорости в этом интервале составлял более 70%, а проходка на долота в среднем по интервалу выросла на 25,1%.

Анализ характера износа показал, что при ориентированной схеме промывки абсолютно преобладающим является выход из строя по вооружению. В то же время на долотах с обычной симметричной схемой промывки долота выходили из строя как по опоре, так и по вооружению, причем нередко наблюдался критический износ опор с заклинками, что при ориентированных схемах не имело места. Это подтвердило вывод о существенном улучшении условий работы опор при ориентированной схеме, предотвращающей их зашламование, выкрашивание козырьков лап и т.д., что легко объясняется спецификой организации потоков жидкости со шламом, рассмотренной выше.

Анализ кавернограмм и параметров самопроизвольного искривления стволов опытных и базовых скважин выявил еще одно важное преимущество ориентированных схем промывки. Оно связано с существенным снижением кавернообразования и, как следствие, снижением интенсивности самопроизвольного искривления стволов скважин за счет улучшения условий работы опорно-центрирующих устройств в стволе. Это явление объясняется тем, что при обычной гидромониторной схеме промывки струи жидкости бьют в угол забоя, что в ряде глинистых пород и приводит к размыву стенок скважины. При ориентированной схеме промывки только одна насадка направлена наружу в направлении стенки ствола, а две другие - внутрь долота и никак не воздействуют при этом на стенки скважины. При обычной схеме промывки достаточно интенсивное кавернообразование в глинистых породах наблюдалось при превышении скоростью истечения значений 70-80 м/с, чего практически не происходило при ориентированной схеме.

Таким образом, ориентированная схема промывки показала свою эффективность не только с точки зрения очистки вооружения долота от сальника (3-й процесс очистки) и универсальность по отношению к другим процессам очистки забоя, но и одновременно с точки зрения повышение качества ствола при разбуривании мягких слабосцементированных пород, что имеет важное значение как для Западной Сибири, так и для целого ряда других регионов страны.

В соответствии с обобщенными и систематизированными рекомендациями автора, Экспериментально-исследовательским отделом ВНИИБТ по долоту была разработана, спроектирована и изготовлена на Экспериментальном заводе ВНИИБТ опытная партия долот с различными схемами промывки. Долота были изготовлены на базе долота 111215,9 МЗ-ГВ-2 и получили следующие шифры: с ориентированной схемой промывки - 111215,9 МЗ-ГВ-4, с асимметричной схемой промывки и убранной бобышкой в свободном от насадки проеме - 111215,9 МЗ-ГВ-2, с комбинированной схемой промывки в которой одновременно реализуются центральная и лериферийная схемы - 111215,9 МЗ-ГВ-П2, с центральной схемой промывки с удлиненной центральной насадкой - 111215,9 МЗ-ГВ-П1. При этом на долотах с асимметричной и комбинированной схемами промывки предусматривалось «пользование как двух, так и одной периферийной насадки. Таким образом, было реализовано б различных схем промывки. Долота были испытаны в объединениях (Нижневартовскнефтегаз» и «Ноябрьскнефтегаз» в соответствии со специально >азработанной методикой и программой испытаний. По данным ЭИО по долоту

результаты опытного бурения показали высокую эффективность разработанны> схем промывки. В верхних интервалах разреза наиболее эффективной оказалась ориентированная схема промывки, а также схема с центральной удлиненной насадкой. В нижних интервалах наиболее эффективной показала себя комбинированная схема промывки, в т.ч. с одной периферийной насадкой, а также асимметричная схема с убранной бобышкой в свободном от насадки проеме. Следует отметить, что указанные испытания были первыми в Западной Сибири систематическими промысловыми исследованиями эффективности различных схем промывки буровых шарошечных долот, целью которых было определение областей эффективного применения различных схем промывки долота в зависимости от свойств горных пород конкретного разбуриваемого интервала, т.е. от того процесса очистки забоя, который в данном интервале доминирует. Данные испытания в систематизированном виде подтвердили полученные ранее результаты и выводы и позволили уточнить обобщенные рекомендации. В результате было практически показано, что схема промывки долота является, по сути дела, еще одним режимным параметром бурового процесса, который должен определяться и устанавливаться применительно к конкретному интервалу разбуривания, аналогично тому, как это делается по отношению к выбору типоразмера долота, КНБК и режимным параметрам бурения. Эти вопросы подробно рассмотрены в диссертации.

Проведенный комплекс экспериментальных и теоретических исследований, направленных на изолированное изучение механизма протекания 2-го и 3-го процессов очистки забоя позволил сделать целый ряд приведенных выше выводов и рекомендаций по влиянию на эти процессы схем промывки долота, режимных параметров и геометрии породоразрушающего инструмента. При разработке указанных рекомендаций постоянно учитывались требования и к 1-му процессу очистки забоя.

Поскольку ориентированная схема промывки предусматривает и прямое струйное воздействие на поверхность забоя за счет работы по меньшей мере одной насадки, есть основания полагать, что указанная схема благоприятна для и 1-го процесса. Однако этот процесс в условиях сальникообразования не может являться существенным, в связи с чем последнее обстоятельство играет лишь подчиненную роль. При этом рациональная скорость истечения составила всего 40-45 м/с.

Следует еще раз подчеркнуть, что струйное воздействие на забой скважины может осуществить только интенсификацию отрыва шлама от поверхности забоя, но разрушения целика породы при этом не происходит даже при разбуривании самых слабосцементированных мягких и вязких пород. Нами был проведен специальный промысловый эксперимент, в процессе которого на глубинах 300+500 м Самотлорского месторождения отрабатывалась болванка с насадками при вращении ее ротором. При бурении с навеса и скоростях истечения от 120 до 140 м/с механическая скорость этого чисто струйного разрушения забоя составила 6-8 м/час. Спущенное затем обычное гидромониторное долото при скоростях истечения порядка 55-60 м/с обеспечило скорость проходки более 120 м/час. Это показывает, что разрушающая способность струй и ■ вооружения долота абсолютно несоизмеримы. Более того, даже указанное мизерное струйное разрушение при обычном бурении в принципе не может быть использовано, поскольку механическое разрушение забоя зубом долота многократно опережает струйное разрушение. Только при превышении определенных критических значений прочности породы начинает осуществляться эффективное струйное разрушение целика, что даже в мягких породах имеет место при скоростях истечения порядка 300 м/с, а в более твердых породах - свыше 400-500 м/с. В этом случае струйное разрушение

опережает механическое, т.е. механические породоразрушающие элементы струйного долота производят только доразрушение и формирование забоя правильной формы. Именно то, какой из механизмов разрушения является первичным или опережающим, и предопределяет или механическое, или струйное разрушение целика забоя. Таким образом, при обычном механическом бурении струи жидкости даже при максимальных скоростях истечения из насадок гидромониторного долота могут обеспечивать только интенсификацию 1-го процесса очистки забоя, но никак не его разрушение, а в мягких породах основное назначение гидравлики состоит в обеспечении «агрессивности» т.е. эффективной очистке вооружения долота.

Необходимо отметить и тот факт, что промысловые испытания в ряде случаев дали результаты существенно отличные от полученных в стендовых условиях. Это относится к эффективности схем с удлиненными насадками в условиях сальникообразования.

Дело в том, что сальник на вооружении долота образуется, по сути дела, на самом забое, а не «наматывается», как это нередко считают, в зоне долота. При выходе зубьев долота из целика забоя вязкая и склонная к адгезии порода остается в межзубцовых пространствах, и при каждом следующем обороте шарошки происходит последовательная запрессовка шлама в указанных пространствах. Для того, чтобы этого явления не происходило, необходимо достаточно активное струйное воздействие или воздействие отраженных от забоя потоков на межзубцовое пространство шарошек, что при удлиненных насадках происходит более эффективно, чем при обычных. Таким образом удлинение насадок, является универсальной мерой по отношению ко всем трем процессам очистки.

Стендовые испытания не выявили эффективности удлиненных насадок с точки зрения очистки вооружения долота, поскольку изучалось удаление уже имеющегося сальника с вооружения долота. В промысловых испытаниях обеспечивалось предотвращение образования сальника. Это важное различие явилось причиной и того факта, что в стендовых условиях эффективной оказалась скорость истечения для ориентированных схем на уровне 60-80 м/с, а в промысловых условиях - на уровне всего 40-50 м/с.

В заключительном разделе приводятся обобщенные рекомендации по эффективному управлению процессом очистки забоя скважины.

Выбор того процесса очистки забоя, который является доминирующим для данного интервала разреза, не представляет больших трудностей для технолога. Более того, на основе предложенных принципов каждый геологический разрез месторождения может быть подразделен на интервалы наибольшего влияния одного или одновременно двух процессов очистки забоя.

В самом общем виде в качестве примера можно привести следующее подразделение разреза. Верхний интервал мягких и вязких пород, где доминирует 3-й процесс очистки. Следующий интервал, сложенный такими же и более твердыми породами, дающими при разрушении достаточно дискретные частицы шлама, где существенны одновременно как 3-й, так и 2-й процессы очистки. По мере углубления скважины и, в особенности, при утяжелении бурового раствора, т.е. при естественном росте дифференциального давления, начинает усложняться 1-й процесс очистки и наоборот, упрощается 3-й процесс при существенном влиянии 2-го процесса очистки забоя. Далее во все более твердых породах практически исключается процесс сальникообразования (3-й процесс) и существенными становятся только 1-й и 2-й процессы и, наконец, при больших глубинах, когда скорости проходки падают до 3-5 м/ч и ниже, доминирующим становится 1-й процесс

очистки при практическом отсутствии влияния 2-го процесса. Последнее обстоятельство связано с тем, что при столь низких скоростях проходки образуется столь мелкий шлам, что его вынос возможен даже в «завесе» долота, т.е. специальная организация выносящих потоков в проемах между лапами является излишней.

При глубине скважины порядка 4500 м и ниже практически все категории пород разрушаются по псевдопластичному механизму со скоростями проходки на уровне 1м/ч. В этих условиях схема и режим промывки забоя уже не могут заметно сказаться на показателях механического бурения, и необходимо изменение самого механизма разрушения горных пород. Это требует создания специальных долот для глубокого бурения, поскольку на столь больших глубинах свойства горных пород не подчиняются обычной классификации, принятой для проектирования вооружения. Кроме того, такие долота должны, по-видимому, воспринимать сверхвысокие нагрузки. Возможно также применение специальных безопорных долот, например, оснащенных алмазно-твердосплавными резцами с предложенным нами ступенчатым профилем и углами атаки, соответствующими реальным спиральным траекториям углубления резца в породу в зависимости от радиуса, на котором они расположены. Следует отметить, что в отличие от шарошечного бурения, при работе режущих долот образование и удаление шлама с места его образования есть единый процесс, не разделенный во времени, что снижает воздействие дифференциального давления на процесс отрыва шлама от забоя. Кроме того возможно применение методов искусственного снижения дифференциального давления, а также принципиально новых методов бурения, например гидромеханического разрушения забоя, плавления горных пород и ряда других.

Разумеется приведенное подразделение геологического разреза дает только общее представление о принципах и характере такого анализа. Например, в уже рассмотренных условиях целого ряда месторождений Урало-Поволжья, где промывка скважин осуществляется водой по всему разрезу за исключением продуктивной толщи, следует применять схемы промывки, направленные на интенсификацию только 2-го процесса очистки забоя, поскольку в этом случае именно этот процесс является абсолютно доминирующим, а два других не имеют существенного или вообще никакого значения. Однако условия, когда по всему разрезу доминирует только один процесс очистки, весьма редко встречаются. Следует еще раз подчеркнуть, что обоснованный выбор схемы промывки долота является главным фактором эффективной очистки забоя в целом, в то время как режимные параметры имеют подчиненное значение и их следует выбирать применительно к предварительно выбранной схеме промывки. Выше уже отмечалось, что расход промывочной жидкости должен выбираться, исходя не из условий очистки забоя, а из условий транспорта шлама по стволу или, что является вынужденной мерой, исходя из требований характеристик забойного двигателя. Как было нами показано, в обоих случаях этот расход превышает технологически необходимый для очистки забоя в целом. Скорость истечения для схем, интенсифицирующих 1-й процесс очистки, должна находиться в диапазоне от 50-60 до 90-100 м/с, а для схем, интенсифицирующих 3-й процесс, от 40 до 50-60 м/с. Для интенсификации 2-го процесса очистки забоя скорость истечения является отрицательным фактором, т.е. практически при любых схемах промывки с ростом этого параметра эффективность выноса шлама из зоны долота снижается.

Важнейшим вопросом эффективной очистки забоя является соответствие схемы промывки долота типу его вооружения.

Дело в том, что тип вооружения долота, априори определяя общий характер и основные свойства горных пород, которые предполагается разбуривать данным типоразмером долота, предопределяет и характер образующегося шлама. При этом схема промывки долота также должна выбираться, в первую очередь, исходя из предполагаемых свойств горных пород, которые определяют доминанту того или иного процесса очистки забоя. Из этого следует вывод о том, что схема промывки долота должна соответствовать его вооружению. Это положение должно реализовываться уже на стадии проектирования. Например, совершенно очевидно, что долота типа М будут работать в условиях сальникообразования. В то же время долота типа Т и, тем более, долота типа К и ОК не будут подвержены сальникообразованию, но будут работать в условиях необходимости выноса из зоны долота крепкого гранулированного шлама. Долота типа С могут работать в условиях необходимости интенсифицировать все три процесса очистки, но с различной степенью влияния каждого из них. Это не означает, что каждому типоразмеру долота должна соответствовать только его специфическая схема промывки, и выше уже были рассмотрены вопросы относительной универсализации схем для различных условий бурения. Исходя из предлагаемых принципов управления процессом очистки забоя, необходимо и вполне возможно учесть специфику очистки забоя в самой конструкции промывочных и других элементов узлов долота. Более того, типоразмер долота в определенной степени предопределяет и возможный уровень механической скорости, т.е. объемы шлама, подлежащие эвакуации из зоны долота, в единицу времени.

Весьма существенную роль для очистки призабойной зоны играет внешняя конфигурация долота, в особенности его лап, проемы между которыми являются главными каналами связи забоя с затрубным пространством. В связи с этим максимально возможное увеличение живых сечений в проемах между лапами может, как показали испытания, существенно улучшить вынос шлама из зоны долота. Строго говоря, внешняя конфигурация долота может рассматриваться в качестве важного фактора схемы его промывки в целом.

Например, при различных вариантах асимметричной схемы в долотах типов М, МС, С в свободном от насадки проеме следует исключить бобышку под отсутствующую насадку для увеличения живого сечения, через которое выносятся большие массы шлама. В то же время при асимметричных схемах на долотах ТК и К трудно ожидать поступления столь же значительных масс шлама в единицу времени, и дополнительные сечения для их эвакуации будут излишними.

Одним из наиболее простых путей универсализации схем промывки для различных типоразмеров долот может явиться комбинированная схема промывки с центральным и периферийным каналами, которая в настоящее время широко реализуется только в долотах большого диаметра. Однако эффективность этой схемы для любых типоразмеров долот, в особенности с удлиненными насадками, с точки зрения всех трех процессов очистки не вызывает сомнений. При этом у технолога на буровой появляется возможность реализовать варианты ;имметричной, асимметричной, центральной, комбинированной или ориентированной схем промывки, исходя из конкретных условий разбуривания данного интервала, разумеется, при наличии соответствующих комплектов насадок. Примером реализации такой схемы промывки является долото 111215,9 МЗ-ЦГВ-4196.

Поскольку приведенные выше подходы уже реализуются на практике как у нас в :тране, так и за рубежом, и накопленный опыт внесет свои уточнения и коррективы в летодологию не только выбора схем промывки, но и проектирования буровых

шарошечных долот, которая будет обоснованно учитывать безусловную необходимость четкой взаимосвязи между схемой промывки и вооружением долота.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Процесс очистки забоя бурящейся скважины представляет собой совокупность трех различных по своей физической природе и механизму протекания частных процессов очистки:

очистка поверхности забоя, представляющая собой процесс отделения частиц разрушенной породы, прижатой дифференциальным давлением, от неразрушенной и предразрушенной поверхности забоя и перевод их во взвешенное состояние (1-й процесс очистки),

очистка призабойной зоны, представляющая собой процесс выноса отделенных от поверхности забоя частиц шлама в затрубное пространство над долотом (2-й процесс очистки),

очистка вооружения долота, представляющая собой процесс предотвращения и ликвидации сальника из межвенцовых и межзубцовых пространств буровых шарошечных долот, образующегося за счет налипания и запрессовки в эти пространства разбуриваемой породы (3-й процесс очистки).

2. Эффективное управление процессом очистки забоя в целом возможно только при условии раздельного целенаправленного управления каждым из трех процессов очистки в отдельности на основе выделения того из указанных процессов, который оказывает наиболее существенное влияние на показатели работы долот в данных конкретных горно-геологических условиях. В работе показано и обосновано при каких горно-геологических условиях какой из трех процессов очистки наиболее существенно влияет на показатели работы и характер износа буровых долот. Показано также, что в практике бурения не встречаются горно-геологические условия, при которых все три процесса в равной степени влияют на показатели долот одновременно.

3. Предложена классификация гидродинамических методов по принципу воздействия на конкретный процесс очистки. Например, такие методы как струйное воздействие на поверхность забоя, снижение дифференциального давления или применение маловязких промывочных агентов, несмотря на кардинальные отличия в физическом механизме их реализации, относятся к одному подклассу методов, воздействующих на 1-й процесс очистки забоя, а значит, могут компенсировать действие друг друга.

4. Наиболее существенным фактором, определяющим эффективность очистки забоя, является не режим, а схема промывки забоя, определяемая схемой промывки долота, которую, следует выбирать, исходя из доминирующего частного процесса очистки, определяемого конкретными горно-геологическими условиями разбуриваемого интервала. Показано, что эффективность любой схемы промывки бурового шарошечного долота носит избирательный характер, т.е. схема промывки долота, а значит и забоя, является самостоятельным варьируемым технологическим параметром бурового процесса.

5. Проведенные теоретические, экспериментальные и промысловые исследования позволили изучить, разработать и обосновать более 30 различных схем промывки буровых шарошечных долот, целенаправленно воздействующих на отдельные процессы очистки забоя, определить области их эффективного

применения, а также сформулировать технологические рекомендации по их использованию в различных горно-геологических условиях проводки скважин по типовым разрезам месторождений основных нефтегазодобывающих регионов страны.

6. В случае, когда доминирующим является 1-й процесс очистки (повышенные дифференциальные давления, утяжеленные глинистые растворы, средние и твердые породы) обычные гидромониторные долота эффективны как при низких, так и при высоких частотах вращения долота. Однако и в этих условиях эффективность таких долот ограничена и определяется тем, что их положительное струйное воздействие на поверхность забоя превалирует над отрицательным воздействием на 2-й процесс очистки, поскольку с точки зрения этого процесса, как было установлено, обычная гидромониторная схема является самой неблагоприятной из всех возможных.

7. В случае, когда доминирующим является 2-й процесс очистки (небольшие глубины, относительно крепкие породы, в особенности, при промывке водой) обычные гидромониторные долота вообще неэффективны, что установлено как нашими исследованиями, так и опытом применения этих долот в большом числе районов Урало-Поволжья. В этих условиях наиболее эффективными являются зарианты центральной схемы промывки. В случае, когда значимыми являются как 2л, так и 1-й процессы очистки одновременно, эффективными являются варианты эсимметричной схемы, в т.ч. с удлиненными насадками, отверстиями в лапах, , различными диаметрами насадок на одном долоте, а также различные «эмбинированные схемы, сочетающие центральную и периферийную асимметричную схемы одновременно, обеспечивающие кроме струйного зоздействия на поверхность забоя эффективные каналы транспорта шлама зосходящими потоками в свободных от нисходящих струй проемах между лапами 10Л0та или между стенкой скважины и наружной поверхностью удлиненной насадки, ;нижая эжектирующее воздействие открытых струй на частицы шлама.

8. В случаях, когда доминирующим является 3-й процесс очистки (мягкие, зязкие породы, относительно небольшие глубины) разработаны и предложены т.н. эриентированные схемы промывки, при которых струи жидкости направляются в юны наиболее интенсивного сальникообразования, и очистка вооружения зсуществляется прямым воздействием струй жидкости, а не отраженными от забоя, 1ашламованными и потерявшими энергию потоками, как это имеет место при работе збычных гидромониторных долот. Однако, ввиду относительной сложности таких :хем, в этих условиях возможно использование вариантов комбинированных :имметричных и асимметричных схем с обычными и удлиненными насадками. Одновременно показано, что т.н. "самоочистка" долот типа М носит условный :арактер, поскольку внутренние межвенцовые и все межзубцовые пространства юобще не самоочищаются, а самоочистка наружных межвенцовых пространств фактически прекращается при сработке зубьев уже на 20-25% по высоте.

9. Ввиду того, что схема промывки долота, так же как и тип его вооружения шределяются конкретными горно-геологическими условиями разбуриваемого 1нтервала, схема промывки и тип вооружения долота должны соответствовать друг 1ругу. Это следует учитывать уже на стадии проектирования долот, поскольку тип ооружения априори предопределяет как характер, так и возможные объемы шлама, юдлежащие эвакуации из зоны долота. В работе сформулированы оответствующие рекомендации, которые могут использоваться как конструкторами, ак и технологами непосредственно на буровой при установке необходимого числа асадок требуемой конфигурации.

10. Важным фактором эффективности очистки забоя является внешняя геометрия долота. Проведенные исследования позволили сформулировать комплекс рекомендаций по внешней геометрии долота, связанных с формой лап долота для увеличения полезного живого сечения в их проемах для восходящих потоков, выносящих шлам, конфигурации бобышек и их заглублению в тело лапы как для освобождения проема между лапами для восходящих потоков и снижения эжектирующего действия нисходящих струй, так и для удаления пятна контакта струи с забоем от стенки скважины, что в мягких породах может приводить к улучшению условий формирования ствола и снижению кавернообразования, а также по другим мерам, направленным на достижение сформулированных выше целей.

11. Режим промывки забоя следует выбирать, исходя из предварительно выбранной схемы промывки забоя и долота на основе изложенных выше положений. При этом в работе показано, что расход промывочной жидкости, выбираемый, исходя из условия эффективного транспорта шлама по затрубному пространству или, тем более, исходя из требований эффективной работы забойного двигателя, всегда превышает технологический необходимый расход для очистки забоя скважины. Установлено также, что на 2-й процесс очистки практически не оказывают влияния и свойства промывочной жидкости. В результате, выбор рационального режима промывки забоя сводится к выбору рациональной скорости истечение жидкости из насадок применительно к конкретной схеме промывки долота. Когда доминирующим является 1-й процесс очистки скорости истечения должны быть не менее 60-70 м/с. В случаях, когда доминируют 2-й или 3-й процессы рекомендуемый диапазон скоростей истечения применительно к предложенным схемам промывки составляет всего от 40 до 60 м/с, что позволяет более рационально расходовать подводимую к забою гидравлическую мощность.

12. При глубинах залегания интервалов разбуривания свыше 4500 м за счет действия высоких дифференциальных и горных давлений любые категории горных ríopofl разрушаются по единому, псевдопластичному механизму со скоростями проходки на уровне 1-1,5 м/ч. В этих условиях никаким изменением схемы и режима промывки забоя уже нельзя повлиять на улучшение показателей работы долот, поскольку в этом случае необходимо изменение самого механизма разрушения горных пород, например, за счет применения гидромеханического способа, при котором высоконапорные струи жидкости разрушают и очищают забой одновременно, за счет использования методов искусственного снижения дифференциального давления и других. Правомерна, по-видимому, и постановка вопроса о создании принципиально новых классов буровых долот, специально предназначенных для глубокого бурения, в частности, способных воспринимать сверхвысокие осевые нагрузки, поскольку сам по себе фактор очистки забоя может оказывать заметное влияние на буровой процесс только при скоростях проходки свыше 2-3 м/ч. Возможно также применение предложенных нами долот АТП со ступенчатым профилем резца и различными углами атаки по радиусу долота.

13. Разработанная теория и соответствующие математические модели процесса выноса шлама из призабойной зоны при различных режимах, схемах промывки и скоростях вращения долота, основанные на результатах экспериментальных исследований, позволили описать в первом приближении исследуемый процесс, уточнить ряд его важных характеристик, обосновать программу комплексных экспериментальных работ и испытаний, результаты которых, в свою очередь, выявили их соответствие теоретическому описанию процесса.

4й

14. Разработанные методики экспериментальных исследований и соответствующие стендовые установки могут использоваться разработчиками и изготовителями буровых долот в качестве стандартизированных методов оценки гидродинамического совершенства буровых долот различных типоразмеров с точки зрения эффективности очистки призабойной зоны и вооружения долота в условиях, максимально приближенных к реальным.

15. Предложенные и обоснованные автором схемы промывки буровых шарошечных долот в настоящее время широко используются в серийных долотах основного применения, таких как 111215,9 М-ГВ-1, 111215,9 М-ГВ-2, 111215,9 М -ПГВ, 111215,9 С-ГВ-1, 111215,9 С-ГВ-2, 111215,9 С-ГН-4, 111215,9 С-ЦГВ, 111215,9 МЗ-ГВ-2, 111215,9 МЗ-ГВ-З, 111215,9 МЗ-ЦГВ-Я196, 111215,9 МСЗ-ГН-1, 111215,9 СЗ-ГВ, 111215,9 СЗ-ГВ-1, 111215,9 СЗ-ГВ-2, Ш393.7 М-ГВ, Ш393.7 С-ГВ, Ш393.7 СЗ-ГВ, Ш393.7 С-ЦГВ, II 1393,7 М-ЦГВ, в долотах 111215,9 МЗ-ГВ-ЗМ, 111215,9 МЗ-ГВ-4, Ш444,5 С-ГВ, а также в целом ряде других буровых долот отечественного и зарубежного производства.

Основные научные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Гусман A.M. Влияние условий очистки забоя скважины на механическую скорость бурения. Труды ВНИИБТ, вып. 24, М.,1970

2. Гусман A.M. Экспериментальное исследование процесса выноса шлама из зоны долота в затрубное пространство. Материалы IV Всесоюзного семинара по гидравлике промывочных жидкостей и цементных растворов в бурении. Гомель, 1973

3. Гусман A.M. Исследование процесса выноса шлама из призабойной зоны при различных схемах промывочных устройств шарошечных долот. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 1973

4. Гусман A.M. К теории очистки забоя скважины при центральной схеме промывочных устройств долота. Материалы IV Всесоюзного семинара по гидравлике промывочных жидкостей и цементных растворов в бурении. Гомель, 1973

5. Гусман A.M. Влияние свойств промывочного агента, масштабного фактора, конструктивных особенностей шарошечного долота и формы забоя на процесс выноса шлама из зоны долота. Труды ВНИИБТ, вып. 48, М., 1979

6. Гусман A.M. К вопросу о соответствии гидравлической схемы шарошечных долот типу их вооружения. Материалы VII Всесоюзного семинара по гидравлике промывочных жидкостей и цементных растворов в бурении, Ивано-Франковск, 1984

7. Гусман A.M. Состояние и направления совершенствования схем промывки буровых шарошечных долот, Труды ВНИИБТ, вып. 66, М., 1988

8. Гусман A.M. Принципы выбора схем и режимов промывки забоя в зависимости от горно-геологических условий проводки скважин. Материалы школы-семинара по гидравлике промывочных и тампонажных растворов. Ивано-Франковск, 1990

9. Гусман A.M. Исследование методов управления очисткой забоя бурящейся скважины. НТЖ «Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море», 111-12, 1999

10. Гусман A.M. Совершенствование долот типа СТРАТАПАКС для бурения i твердых и крепких породах. Ж. «Нефтегазовые технологии», № 1, 2000

11. Мительман Б.И., Энгель A.C., Гольдштейн И.Е., Гусман A.M. Исследование эффективности работы гидромониторных долот. НТС "«Бурение"», №11, 1967

12. Гусман A.M., Мительман Б.И., Малкин И.Б. Промысловые исследовани; эффективности гидромониторных долот. Материалы II Всесоюзного семинарг по гидравлике промывочных жидкостей и цементных растворов в бурении Краснодар, 1969

13. Гусман A.M., Шумилов Л.П., Малкин И.Б. О методике исследования процессг очистки забоя. Труды ВНИИБТ, вып. 24, М., 1970

14. Гусман A.M., Мительман Б.И., Малкин И.Б. Влияние свойств промывочной жидкости на показатели работы шарошечных долот. Труды ВНИИБТ, вып. 24 М„ 1970

15. Гусман A.M., Малшн И.Б.,Шумилов Л.П. Влияние условий промывки забоя нг износ шарошечных долот. Труды ВНИИБТ, вып. 24, М., 1970

16. Гусман A.M., Мительман Б.И., Малкин И.Б. Исследование эффективности гидромониторных долот. Труды ВНИИБТ, вып. 24, М., 1970

17. Гусман A.M., Мительман Б.И. Гидромеханическое и эрозионное бурение. М.,

• ВНИИОЭНГ, 1971

18. Гусман A.M., Мительман Б.И. Эрозионное бурение скважин. Материалы III Всесоюзного семинара по гидравлике промывочных жидкостей и цементных растворов в бурении, Октябрьский, 1971

19. Буяновский И.Н., Гусман A.M., Мелешкина М.И. Теоретические исследования процесса выноса шлама из зоны долота, имеющего центральное расположение промывочных устройств. Труды ВНИИБТ, вып. 34, М., 1975

20. Гусман A.M., Малкин И.Б., Мительман Б.И., Алиев B.C., Усольцев A.B. Исследование эффективности асимметричных схем промывки гидромониторных долот. НТС «Бурение», № 12,1975

21. Гусман A.M. Мительман Б.И. Исследование выноса шлама из зоны долота в затрубное пространство. Ж.«Нефтяное хозяйство», № 2, М., «Недра», 1975

22. Гусман A.M., Мительман И.Б. Методика экспериментального исследования процесса выноса шлама из зоны долота. Труды ВНИИБТ, вып. 48. М., 1979

23. Гусман A.M., Кривоненков С.П., Липатов В.И., Максименко Б.П. Исследование и усовершенствование промывочных систем бурильных головок. Труды ВНИИБТ, вып. 48. М„ 1979

24. Г усман A.M., Мительман Б.И. Экспериментальное исследование влияния схемы и режима промывки забоя на вынос шлама из зоны долота. Труды ВНИИБТ, вып. 48. М„ 1979

25. Гусман A.M., Капранов В.Г. Математическая модель процесса выноса шлама из зоны долота с центральным промывочным отверстием. Труды ВНИИБТ, вып. 48. М., 1979

26. Гусман A.M., Дюков Н.Г., Осипов Г.М., Соломатин Ю.В., Ткаченко В.И. Влияние схемы промывки на характер износа шарошечных долот. Труды ВНИИБТ, вып. 48. М„ 1979

27. Пестров А.П., Шенбергер В.М., Филимонов А.Н., Мительман Б.И., Гусман A.M. Применение трехшарошечных долот с ориентированными промывочными узлами на месторождениях Среднего Приобья. НТС «Бурение», № 7,1979

28. Бухман Ю.А., Гусман A.M., Липатов В.И., Мительман Б.И. О возможности применения теории массового обслуживания для прогнозирования

эффективности выноса шлама из призабойной зоны. Труды ВНИИБТ, вып. 48. М„1979

29. Гусман A.M., Константинов Л.П., Липатов В.И., Мительман Б.И. О выборе схемы промывочных устройств шарошечных долот в зависимости от геолого-технических условий проводки скважин. Труды ВНИИБТ, вып. 48, М., 1979

30. Пестров А.П., Гусман A.M. Исследование и разработка мер по ликвидации сальника с вооружения долота при бурении в условиях Западной Сибири. «Проблемы нефти и газа Тюмени», вып. 61, М., 1984

31. Гусман A.M., Пестров А.П. Разработка специальной гидравлической схемы шарошечных долот для условий бурения на месторождениях Западной Сибири. Материалы VII Всесоюзного семинара по гидравлике промывочных жидкостей и цементных растворов в бурении, Ивано-Франковск, 1984

32. Пестров А.П., Гусман A.M. Исследование процесса очистки призабойной зоны при различных режимах и схемах промывки забоя скважин. Сб. «Совершенствование технологии строительства скважин», СибНИИНП, Тюмень, 1984

33. Ворожцов М.И., Гусман A.M., Драганчук О.Т., Реутов В.А. Экспериментальные и теоретические исследования процесса разрушения горных пород алмазо-твердосплавными пластинами. Труды ВНИИБТ, вып. 67, М., 1989

34. Барский И.Л., Ворожцов М.И., Гусман A.M., Драганчук О.Т., Реутов В.А. Математическая модель процесса бурения долотами режущего типа. Сб. Разрушение горных пород при бурении скважин. Доклады V Всесоюзной научно-технической конференции, Том III, Уфа, 1990

35. Ворожцов М.И., Гусман A.M., Драганчук О.Т., Реутов В.А. Экспериментальные и теоретические исследования процесса разрушения горных пород алмазо-твердосплавными пластинами. Сб. Разрушение горных пород при бурении скважин. Доклады V Всесоюзной научно-технической конференции, Том I, Уфа, 1990

36. Барский И.Л., Гусман A.M., Реутов В.А., Каракозов P.P. Повышение эффективности разрушения горных пород алмазно-твердосплавными пластинами путем изменения их профиля. Ж. «Азербайджанское нефтяное хозяйство», № 10,1992

37. Барский И.Л., Гусман A.M., Каракозов P.P. , Реутов В.А. Некоторые результаты стендовых исследований работы резца «СТРАТАПАКС» со ступенчатым профилем. Библиографический указатель ВИНИТИ «Депонированные научные работы», № 9, М„ 1992, с. 53

38. Гусман A.M., Барский И.Л. Разработка научных основ создания долот СТРАТАПАКС для крепких пород. Материалы Всероссийской научной конференции «Фундаментальные проблемы нефти и газа», М., 1996

39. Барский И.Л., Гусман A.M., Левина А.Б. Метод управления динамикой бурильной колонны. Ж. «Нефтегазовые технологии», № 1, 2000

40. Гусман М.Т., Мительман Б.И., Гусман A.M. Гидромониторное шарошечное долото. A.c. № 295856, БИ № 8, 1971

41. Гусман М.Т., Мительман Б.И., Гусман A.M. и др. Гидромониторная насадка для буровых долот. A.c. №309111, БИ № 29, 1971

42. Гусман A.M. , Мительман Б.И. Гусман A.M. Устройство для бурения в поглощающих горизонтах. A.c. №336409, БИ №14,1972

43. Гусман М.Т., Назаров В.И., Мительман Б.И., Гусман A.M. и др. Ударно-вращательное устройство для бурения скважин. A.c. №441390, БИ №32, 1975

44. Гусман A.M., Гусман М.Т., Мительман Б/И. Породоразрушающее устройстве для эрозионного бурения. А.с. №595477, БИ №8, 1978

45. Гусман М.Т., Булах Г.И., Гусман A.M. и др. Устройство для бурения скважин А.с. №604958, БИ №16, 1978

46. Агеев А.И., Гусман A.M., Малкин И.Б. Шпиндель забойного двигателя. А.с №1133927, 08.09.1984

47. Барский И.Л., Агошашвили Т.Г., Гусман A.M., Каракозов P.P., Реутов В.А Резец для разрушения породы. А.с. №1833452, БИ №29,1993

48. Ширин-Заде С.А., Гусман A.M., Позельский Е.П. и др. СпосоЕ электротермического бурения. Патент РФ № 2013514, 30.05.1994

49. Гусман A.M., Барский И.Л., Левина А.Б., Мессер А.Г. Буровое алмазное долото, Патент РФ № 2129646, 08.05.1996

50. А.Н. Mirzajanzade, A.I. Bulatov, A.M.Gusman and S.A. Shirinzade. Well Drilling and Cementing: a Systems Approach, Models and Artificial intelligence. Preprint ol the Thirteenth World Petroleum Congress, Topic [9]1, Buenos Aires, 1991

51. Dang Cua, Barski I.L., Gusman A.M. New Way to Stabilize BHA. J. TAPCHI DauKhi, No. 4, Vietnam, 1998

52. Alexander M. Gusman, Alexey G. Messer and Ilia L. Barski. New PDC Bit Concept for Hard Rock Drilling. Proceedings of the Joint Conference "Energy for the New Millenium", New-Orleans, USA, February, 2000

53. Ilia L. Barski, Alexander M. Gusman and Alexander S. Povalikhin. Development of a Method for Drilling of Straight Sections of Various Type Weübores. Proceedings of the Joint Conference "Energy for the New Millenium", New-Orleans, USA, February,. 2000

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ЗАБОЯ ОТ РАЗРУШЕННОЙ ПОРОДЫ

1.1. Влияние горного и дифференциального давлений

1.2. Влияние свойств промывочного агента

1.3. Влияние гидромониторной схемы промывки долот

1.4. Интерпретация кривых на диаграмме бурения М.Г.Бингхема

1.5. Классификация гидродинамических методов интенсификации процесса очистки забоя

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫНОСА ШЛАМА ИЗ ЗОНЫ ДОЛОТА В ЗАТРУБНОЕ ПРОСТРАНСТВО

2.1. Разработка математической модели процесса выноса шлама из призабойной зоны при центральном расположении промывочных устройств шарошечного долота

2.2. Разработка математической модели процесса выноса шлама из призабойной зоны при работе гидромониторных долот с симметричной, асимметричной и комбинированной схемами расположения промывочных устройств.

3. МЕТОДИКА И ПРОГРАММА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВЫНОСА ШЛАМА ИЗ ЗОНЫ ДОЛОТА В ЗАТРУБНОЕ ПРОСТРАНСТВО

3.1. Постановка задачи исследования

3.2. Экспериментальная установка

3.3. Методика лабораторного исследования

3.4. Планирование эксперимента и методика обработки результатов

4 . ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫНОСА ШЛАМА ИЗ ЗОНЫ ДОЛОТА В ЗАТРУБНОЕ ПРОСТРАНСТВО

4.1. Результаты исследования процесса выноса шлама при центральном промывочном отверстии

4.2. Результаты исследования процесса выноса частиц шлама при центральной сменной насадке

4.3. Результаты исследования процесса выноса частиц шлама при наличии трех периферийных насадок долота

4.4. Результаты исследования процесса выноса частиц шлама при наличии двух периферийных насадок долота

4.5. Результаты исследования процесса выноса шлама при наличии одной периферийной насадки

4.6. Результаты исследования процесса выноса частиц шлама при наличии удлиненных насадок

4.7. Результаты исследования процесса выноса частиц шлама при периферийной схеме промывки долота отверстиями в лапах

4.8. Исследование процесса выноса шлама при работе гидромониторных долот с удлиненными насадками при их симметричном и асимметричном расположении и отверстиях в лапах

4.9. Результаты исследования процесса выноса частиц разрушенной породы при схеме промывки с одной периферийной вертикальной насадкой долота и асимметричном расположении шарошек

4.10. Исследование эффективности комбинированных схем промывки при одновременной работе периферийных удлиненных и центральной насадок ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ШАРОШЕЧНЫХ ДОЛОТ, ФОРМЫ ЗАБОЯ, МАСШТАБНОГО ФАКТОРА И СВОЙСТВ ПРОМЫВОЧНОГО АГЕНТА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОЧИСТКИ ПРИЗАБ0ЙН0Й ЗОНЫ ОТ ШЛАМА.

5.1. Разработка стенда и методики исследования очистки призабойной зоны при работе натурных долот в габарите 190 мм.

5.2. Исследование влияния масштабного фактора и геометрических параметров основных узлов буровых шарошечных долот на эффективность очистки призабойной зоны

5.3. Исследование влияния на эффективность выноса шлама степени износа вооружения и различной ориентации насадок долота

5.4. Исследование эффективности схем промывки с неравными по диаметру насадками

5.5. Исследование влияния формы забоя на процесс очистки призабойной зоны от шлама

5.6. Экспериментальное определение областей наиболее интенсивного вторичного измельчения шлама в призабойной зоне

5.7. Исследование влияния свойств промывочной жидкости на эффективность очистки призабойной зоны при различных схемах промывки шарошечных долот

5.8. Исследование влияния геометрических параметров подводящего канала на характеристики струй, истекающих из насадок гидромониторных долот

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЫ ПРИ РАБОТЕ БУРИЛЬНЫХ ГОЛОВОК РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ

6.1. Исследование эффективности процесса выноса шлама при работе колонковой бурильной головки типа 17Н-К187.3/80 МСЗ

6.2. Исследование эффективности процесса выноса шлама при работе керноотборной бурильной головки типа КУК-187, 3/80 М

6.3. Исследование процесса выноса шлама из призабойной зоны при работе бурильных головок различных конструкций с открытым и закрытым кернорвателем.

6.4. Исследование процесса выноса шлама при работе бурильной головки 2IHK 187,3/80 ТКЗ

7. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ВООРУЖЕНИЯ ДОЛОТА.

7.1. Методика экспериментального исследования

7.2. Исследование процесса очистки вооружения при симметричной, асимметричной и центральном схемах промывки

7.3. Исследование процесса очистки вооружения при ориентированной схеме промывки

8. ПРОМЫСЛОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИДРОМОНИТОРНЫХ ДОЛОТ И ДОЛОТ С ЦЕНТРАЛЬНОЙ СХЕМОЙ ПРОМЫВКИ В УСЛОВИЯХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ВОСТОЧНОЙ УКРАИНЫ И БАШКИРИИ.

8.1. Методика промыслового исследования

8.2. Промысловые исследования эффективности гидромониторных долот в условиях песчано-глинистых пород Шебелинского газового месторождения

8.3. Результаты промыслового исследования эффективности гидромониторных долот в условиях карбонатных пород месторождений Башкирии

8.4. Влияние параметров промывки на износ шарошечных долот в различных геологических условиях

8.5. Анализ результатов промыслового исследования

9. ПРОМЫСЛОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ СХЕМ ПРОМЫВКИ ГИДРОМОНИТОРНЫХ ДОЛОТ ПРИ РОТОРНОМ И ТУРБИННОМ БУРЕНИИ В УСЛОВИЯХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ САМАРСКОЙ, ОРЕНБУРГСКОЙ ОБЛАСТЕЙ И БЕЛОРУССИИ.

9.1. Промысловые исследования при роторном и турбинном бурении в условиях Самарской области

9.2. Промысловые исследования эффективности асимметричных и комбинированных схем промывки буровых шарошечных долот в условиях месторождений Оренбургской области

9.3. Промысловые исследования эффективности различных схем промывки долота в условиях месторождений Белоруссии.

10. ПРОМЫСЛОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ СХЕМ ПРОМЫВКИ БУРОВЫХ ДОЛОТ В УСЛОВИЯХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ ПРИ ТУРБИННОМ БУРЕНИИ

10.1. Промысловые испытания асимметричных схем промывки.

10.2. Промысловые исследования ориентированных схем промывки

10.3. Промысловые исследования по определению областей эффективного применения различных схем промывки на месторождениях Западной Сибири

11. ОБОБЩЕННЫЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ СХЕМ И РЕЖИМОВ ПРОМЫВКИ ЗАБОЯ СКВАЖИНЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ БУРЕНИЯ

На современном этапе развития нефтегазовой промышленности приоритетное значение приобретает проблема использования резервов, заложенных в технологических процессах бурения скважин, с целью повышения технико-экономических и качественных показателей буровых работ за счет создания новых совершенных энергосберегающих технологий.

Значительную роль в этой проблеме играют вопросы промывки забоя бурящейся скважины, которые существенным образом влияют на эффективность работы буровых долот, рациональное использование гидравлической мощности, подводимой к забою, энергетику циркуляционной системы, загрузку и условия работы наземного оборудования, в первую очередь, буровых насосов, энергетику разрушения забоя.

Особая актуальность интенсификации процесса очистки забоя бурящейся скважины и оптимизации гидравлики буровых работ, что является единой проблемой, возникла в последние годы, когда повышение показателей работы шарошечных долот затормозилось. Это произошло как в нашей стране, так и в развитых в промышленном отношении странах по тем причинам, что потенциальные возможности, заложенные в современном гидромониторном шарошечном долоте в определенной степени исчерпаны. Анализируя развитие мирового долотостроения и развитие технологии гидромониторного бурения в СССР и за рубежом в послевоенное время можно выделить следующие этапы.

Сороковые годы - бурное развитие шарошечных долот и совершенствование фрезерованного вооружения.

Пятидесятые годы - развитие гидромониторного бурения в США и в шестидесятых годах в СССР, Причем у нас этот процесс, ввиду известных технико-экономических трудностей, продолжается вплоть до 70-х годов, когда гидромониторные долота стали доминирующим типом, а долота с центральной схемой перестали называть «обычными».

Семидесятые годы - развитие долот с герметизированной опорой и одновременное повышенное внимание создателей и производителей долот к изысканию новых материалов, выдерживающих высокие контактные напряжения, повышенной износостойкости. Последний процесс активно продолжался и в 80-х - 90-х годах.

В результате такого развития долотостроения современное шарошечное долото представляет собой сложное и весьма дорогостоящее устройство. В то же время в последнее десятилетие, несмотря на все усилия, показатели буровых долот растут медленно.

Именно такое положение дел в долотостроении привело к изысканию новых путей в создании бурового породоразрушающего инструмента, а именно: к отказу от шарошечного долота в принципе и переход, или точнее, возвращение к безопорным инструментам, но в новом качестве, что представлено долотами типа СТРАТАПАКС и второй путь, предлагаемый автором, - это отказ от традиционной гидромониторной системы промывки шарошечного долота и создание новых схем промывки и новых технологических принципов реализации гидравлической мощности, подводимой к забою, и определение областей эффективности применения различных схем промывки забоя в зависимости от конкретных горно-геологических условий бурения.

В предшествующих работах считалось, что эффективность промывки забоя скважины зависит от расхода промывочной жидкости и возможностей применения гидромониторных долот при повышенных скоростях истечения жидкости из насадок. Считалось, что обеспечение достаточно высоких расходов и скоростей истечения жидкости практически гарантирует эффективное разрушение и очистку забоя, рациональную отработку буровых шарошечных долот. Считалось далее, что, если расход промывочной жидкости имеет ограничения, когда его повышение уже не дает положительных результатов, то повышение скорости истечения жидкости из насадок долот может ограничиваться исключительно возможностями энергетики циркуляционной системы и стойкостью насадок. Более того, многочисленные случаи неэффективности гидромониторных долот в целом ряде горно-геологических условий объяснялись, как правило, несовершенством применяемой технологии, недостаточными скоростями истечения или неэффективностью применения гидромониторных долот при высокооборотном бурении. При этом традиционная гидравлическая схема гидромониторных долот принималась незыблемой, и речь могла идти только о скоростях истечения жидкости и ее расходе, который, в свою очередь, выбирался, исходя из диаметра долота (ствола) и ряда горно-геологических условий, связанных, в основном, с вопросами предупреждения осложнений. При турбинном бурении выбор расхода, как правило, зависел исключительно от характеристик и возможностей забойного двигателя.

При этом одна и та же схема промывки гидромониторного долота применялась во всех случаях, независимо от горно-геологических условий, условий и характеристик образующегося на забое шлама, его количества, типоразмера применяемых долот, параметров их вооружения и других факторов. Не существовало связи между схемой промывки долота и расходом промывочной жидкости, необходимым для эффективной очистки забоя бурящейся скважины. В результате схема и энергетика промывки забоя не были связаны с условиями его разрушения, что обусловило отсутствие серьезной научной базы выбора и проектирования схем промывки буровых долот в зависимости от горно-геологических условий, типа вооружения, размера и внешней конфигурации буровых долот.

Нерешенность этих фундаментальных проблем определила цели и задачи настоящей работы.

Основной целью работы является повышение технико-экономических показателей бурения и эффективности использования подводимой к забою гидравлической мощности на базе научно обоснованного выбора и проектирования гидравлических схем буровых шарошечных долот в зависимости от горно-геологических условий проводки скважин, типоразмера буровых долот и режимов промывки забоя.

Основными задачами работы являются.

1. Исследование процесса очистки забоя бурящейся скважины в различных горно-геологических условиях и определение относительного влияния на этот процесс очистки поверхности забоя, очистки призабойной зоны и очистки вооружения долота, выявление факторов, влияющих на каждый из указанных частных процессов очистки и их воздействия на суммарные характеристики процесса очистки забоя в целом.

2. Исследование влияния природных и технико-технологических факторов, а также схем промывки буровых шарошечных долот на эффективность протекания частных процессов очистки забоя и их относительного влияния на условия отработки буровых долот.

3. Исследование механизма протекания процессов очистки призабойной зоны и вооружения долота в зависимости от основных технологических параметров, в первую очередь, от расхода промывочной жидкости, скорости истечения жидкости из насадок, скорости вращения долота и количества шлама, поступающего в призабойную зону для эвакуации при различных схемах промывки буровых шарошечных долот.

4. Определение наиболее эффективных схем промывки буровых шарошечных долот с точки зрения целенаправленного управления каждым их трех частных процессов очистки забоя применительно к конкретным горно-геологическим условиям проводки скважин.

5. Определение рациональных режимов промывки забоя применительно к выбранным схемам промывки буровых шарошечных долот и горно-геологическим условиям проводки скважин.

6. Разработка рекомендаций по выбору и проектированию схем промывки буровых долот в зависимости от их вооружения, размера и других конструктивных особенностей.

7. Разработка рекомендаций по геометрическим параметрам и конфигурации буровых шарошечных долот с точки зрения их гидродинамического совершенства применительно к задачам эвакуации шлама из зоны долота и очистки его вооружения от сальника.

8. Разработка методов управления процессами очистки забоя в зависимости от горно-геологических условий проводки скважин.

9. Разработка методических основ, методик и технических средств для исследования процесса очистки призабойной зоны от шлама и вооружения долота от сальника для проведения сравнительной оценки различных схем промывки и типоразмеров долот с точки зрения эффективности протекания указанных процессов.

10. Разработка математических моделей очистки призабойной зоны от шлама для долот с различными схемами промывки.

Методические основы работы выбирались и базировались на создании специально разработанных методик и экспериментальных установок, обеспечивающих изолированное и целенаправленное изучение процессов очистки призабойной зоны и вооружения долота, широких промысловых исследованиях и испытаниях буровых шарошечных долот с новыми схемами промывки и измененными геометрическими параметрами в различных горно-геологических условиях с применением математических методов планирования интерполяционных экспериментов, регрессионного анализа получаемых экспериментальных результатов, использования ЭВМ, скоростной киносъемки исследуемых процессов, других современных методов проведения и обработки результатов эксперимента, математических методов моделирования физических процессов, связанных с очисткой призабойной зоны от шлама.

В результате разработан принципиально новый подход к проблеме очистки забоя бурящейся скважины, основанный на выделении трех совершенно различных по своей физической природе и механизму протекания процессов, а именно: процесса очистки поверхности забоя от прижатого к нему дифференциальным давлением шлама (1-й процесс очистки), процесса очистки призабойной зоны от взвешенного в зоне долота шлама, движущегося под действием потоков жидкости в зоне долота (2-й процесс очистки) и процесса очистки вооружения долота от налипающего и запрессованного в межзубцовых и межвенцовых пространствах масс шлама (3-й процесс очистки). Установлены основные физические закономерности протекания 2-го и 3-го процессов очистки и факторы, наиболее значительно влияющие на эти процессы. Произведено разделение этих факторов на природные и зависящие от схем и режимов промывки забоя, а также от конструктивных особенностей буровых шарошечных долот. Показано, что схема промывки долота является наиболее значимым фактором, определяющим протекание всех трех процессов очистки забоя в отличие от ряда других факторов, действие которых может не проявляться в конкретных горно-геологических условиях. На основании обширного экспериментального и теоретического исследования установлено, что гидромониторная схема промывки буровых шарошечных долот оказывает положительное влияние на протекание процесса очистки поверхности забоя и отрицательное влияние на процесс очистки призабойной зоны от шлама. На основании проведенного анализа влияния отдельных частных процессов очистки забоя , которые, как установлено, в различных горногеологических условиях оказывают существенно различное влияние на эффективность очистки забоя в целом, показано, что гидромониторные долота могут давать отрицательный результат в тех случаях , когда наиболее значимым является процесс очистки призабойной зоны от взвешенного шлама. Наиболее характерным примером таких условий является бурение в карбонатных и вообще твердых породах, когда в качестве промывочного агента используется техническая вода. Экспериментальные и промысловые исследования применения гидромониторных долот в этих условиях подтвердили неэффективность их применения. Показано, что в этом случае наиболее рациональным является применение долот с центральной схемой расположения промывочных устройств или гидромониторных долот, но с асимметричной схемой промывки. Экспериментальными исследованиями показано далее, что центральная схема промывки с центральной удлиненной насадкой эффективна и в случае, когда проблемой является борьба с сальником на вооружении долота, поскольку истекающая в межшарошечное пространство струя жидкости достаточно эффективно очищает внутренние венцы от сальника.

Разработанный подход к проблеме очистки забоя, основанный на выявлении доминирующего в данных горно-геологических условиях частного процесса очистки, позволил обосновать принципы выбора схем промывки в зависимости от условий бурения. В свою очередь эти принципы обусловили новый подход к проектированию схемы промывки в зависимости от типа вооружения долота, поскольку тип вооружения долота в значительной степени предопределяет последующие условия его отработки и характер образующегося шлама. Это, как показано в работе, позволяет на стадии проектирования буровых шарошечных долот определить, какой из трех частных процессов очистки забоя может являться доминирующим. Например, для долот типа М и МС обязательным является условие предупреждения сальника на вооружении долота и, соответственно, схема промывки долота должна выполнять именно эту функцию. Для долот типа К сальник, как правило, не имеет места в большинстве случаев их отработки. В то же время в этом случае можно ожидать образования крепкого гранулированного шлама и необходимо предусмотреть каналы связи забоя с затрубным пространством для его эффективной эвакуации и т.д.

В работе показано далее, что практически не встречаются условия, при которых все три процесса очистки одновременно и в одинаковой степени ограничивают показатели работы буровых шарошечных долот. В связи с этим схема промывки долота, как правило, должна предусматривать выполнение не всех трех, а лишь двух функций, например, предупреждение сальникообразования и очистку призабойной зоны, или очистку призабойной зоны и отрыв шлама от поверхности забоя. Для выполнения этих функций в работе предложены различные схемы промывки, которые могут быть реализованы в современных буровых долотах без изменения основных их узлов. Показано, например, что т.н. «самоочистка» долот типа М на самом деле имеет место лишь в весьма ограниченной степени. Это объясняется тем, что основной проблемой в предупреждении сальникообразования на долоте является очистка не межвенцовых, а межзубцовых (межзубковых) пространств, что на этих типах долот не осуществляется. Более того. Очистка межвенцовых пространств осуществляется только на новых долотах. При износе около 20-25% и этод вид очистки не имеет места. В результате показано, что очистка вооружения может осуществляться практически только гидравлически посредством реализации на долоте специальных новых схем промывки. В работе предложены такие схемы, в частности, схема с ориентированными насадками, направленными внутрь долота под определенными углами, найденными в экспериментальных исследованиях с последующей апробацией в промысловых условиях.

Разработанная методика экспериментального исследования процессов очистки призабойной зоны и вооружения долота от шлама позволила установить, какие схемы промывки долот наиболее эффективны с точки зрения протекания этих процессов. В результате предложены комбинированные схемы промывки, в том числе с удлиненными периферийными и центральной насадками. Разработаны также рекомендации по изменению формы лап долот с целью эффективного транспорта шлама из призабойной зоны в затрубное пространство., в частности, лапы с убранными бобышками под насадки долот, которые перекрывают полезное сечение восходящего потока в проеме между лапами долота, лапы с увеличенным углом наклона к вертикали для свободной эвакуации шлама в «завесе» долота и др.

Выбор рациональной схемы промывки при данных конкретных горногеологических условиях позволил наиболее рационально расходовать гидравлическую мощность, подводимую к забою. В работе показано, что при правильно выбранной схеме промывки появляется возможность существенно снизить потребные скорости истечения жидкости из насадок долота. Так например, для ориентированной схемы промывки наиболее рациональной оказалась скорость истечения в диапазоне 3545 м/с против 80 м/с, рекомендуемой по правилам ведения буровых работ. Это дает возможность рационально перераспределить гидравлическую мощность между долотом и забойным двигателем, снизив давление на буровых насосах, создав тем самым более благоприятные условия для их работы.

Для прогнозирования и управления процессом очистки забоя разработаны новые методы, позволяющие определить области эффективного применения долот с различными схемами промывки.

В работе сформулированы и обоснованы новые принципы совершенствования гидравлики буровых долот и методов управления очисткой забоя.

1. Принципы управления процессом очистки забоя бурящейся скважины, основанные на раздельном управлении тремя различными по своей физической природе процессами очистки, а именно: процессом очистки поверхности забоя (отрывом шлама от поверхности забоя), процессом очистки призабойной зоны (выносом шлама из зоны долота в затрубное пространство) и процессом очистки вооружения долота (предотвращением образования сальника на вооружении долота).

2. Принципы анализа геологического разреза месторождений с целью определения доминирующего процесса очистки забоя и выбора схем промывки буровых долот, соответствующих данному разрезу.

3. Методы выбора схем промывки буровых шарошечных долот с целью целенаправленного управления отдельными процессами очистки забоя, в том числе при их взаимодействии.

4. Принципы проектирования гидравлических систем и внешней конфигураций буровых долот, обеспечивающих соответствие схемы промывки долот типу их вооружения.

5. Принципы выбора режимных параметров промывки забоя в зависимости от схемы промывки буровых шарошечных долот и условий образования шлама в различных горно-геологических условиях проводки скважин.

6. Конструктивные схемы промывки буровых шарошечных долот, целенаправленно воздействующие на отдельные частные процессы очистки забоя.

7. Принципы создания математических моделей очистки забоя для различных схем и условий промывки.

Положения, разработанные в диссертации, используются в настоящее время при выборе и проектировании схем промывки буровых шарошечных долот как у нас в стране, так и за рубежом, в частности, при разработке более 20 типоразмеров буровых шарошечных долот основного применения, принятых к серийному производству.

За работу «Создание и промышленное внедрение долота III 215,9 МЗ-ГВ-З с асимметричной схемой промывочных гидромониторных узлов, обеспечившего высокий прирост производительности труда буровых бригад» -автору присвоено звание Лауреата премии Миннефтегазпрома СССР за 1990 г., а за цикл работ «Гидродинамические методы интенсификации буровых процессов» - звание Лауреата премии имени академика И.М.Губкина.

При выполнении работы автор сотрудничал с Т.Г.Агошашвили, В.П.Браженцевым, И.Н.Буяновским, В.Г.Капрановым, Ю.И.Коваленко, Б.П.Максименко, И.Б.Малкиным, А.П.Пестровым, Г.П.Чайковским. Особую признательность автор выражает своему первому Учителю, одному из основоположников отечественной буровой гидравлики Б.И.Мительману.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Процесс очистки забоя бурящейся скважины представляет собой совокупность трех различных по своей физической природе и механизму протекания частных процессов очистки: очистка поверхности забоя, представляющая собой процесс отделения частиц разрушенной породы, прижатой дифференциальным давлением, от неразрушенной и предразрушенной поверхности забоя и перевод их во взвешенное состояние (1-й процесс очистки), очистка призабойной зоны, представляющая собой процесс выноса отделенных от поверхности забоя частиц шлама в затрубное пространство над долотом (2-й процесс очистки), очистка вооружения долота, представляющая собой процесс предотвращения и ликвидации сальника из межвенцовых и межзубцовых пространств буровых шарошечных долот, образующегося за счет налипания и запрессовки в эти пространства разбуриваемой породы (3-й процесс очистки).

2. Эффективное управление процессом очистки забоя в целом возможно только при условии раздельного целенаправленного управления каждым из трех процессов очистки в отдельности на основе выделения того из указанных процессов, который оказывает наиболее существенное влияние на показатели работы долот в данных конкретных горно-геологических условиях. В работе показано и обосновано при каких горно-геологических условиях какой из трех процессов очистки наиболее существенно влияет на показатели работы и характер износа буровых долот. Показано также, что в практике бурения не встречаются горно-геологические условия, при которых все три процесса в равной степени влияют на показатели долот одновременно.

3. Предложена классификация гидродинамических методов по принципу воздействия на конкретный процесс очистки. Например, такие методы как струйное воздействие на поверхность забоя, снижение дифференциального давления или применение маловязких промывочных агентов, несмотря на кардинальные отличия в физическом механизме их реализации, относятся к одному классу методов, воздействующих на 1-й процесс очистки забоя и т.д., а значит, могут компенсировать действие друг друга.

4. Наиболее существенным фактором, определяющим эффективность очистки забоя, является не режим, а схема промывки забоя, определяемая схемой промывки долота, которую следует выбирать, исходя из доминирующего частного процесса очистки, определяемого конкретными горно-геологическими условиями разбуриваемого интервала. Показано, что эффективность любой схемы промывки бурового шарошечного долота носит избирательный характер, т.е. схема промывки долота, а значит и забоя, является самостоятельным варьируемым технологическим параметром бурового процесса.

5. Проведенные теоретические, экспериментальные и промысловые исследования позволили изучить, разработать и обосновать более 30 различных схем промывки буровых шарошечных долот, целенаправленно воздействующих на отдельные процессы очистки забоя, определить области их эффективного применения, а также сформулировать технологические рекомендации по их использованию в различных горно-геологических условиях проводки скважин по типовым разрезам месторождений основных нефтегазодобывающих регионов страны.

6. В случае, когда доминирующим является 1-й процесс очистки (повышенные дифференциальные давления, утяжеленные глинистые растворы, средние и твердые породы) обычные гидромониторные долота эффективны как при низких, так и при высоких частотах вращения долота. Однако и в этих условиях эффективность таких долот ограничена и определяется тем, что их положительное струйное воздействие на поверхность забоя превалирует над отрицательным воздействием на 2-й процесс очистки, поскольку с точки зрения этого процесса, как было установлено, обычная гидромониторная схема является самой неблагоприятной из всех возможных.

7. В случае, когда доминирующим является 2-й процесс очистки (небольшие глубины, относительно крепкие породы, в особенности, при промывке водой) обычные гидромониторные долота вообще неэффективны, что установлено как нашими исследованиями, так и опытом применения этих долот в большом числе районов Урало

Поволжья. В этих условиях наиболее эффективными являются варианты центральной схемы промывки. В случае, когда значимыми являются как 2-й, так и 1-й процессы очистки одновременно, эффективными являются варианты асимметричной схемы, в т.ч. с удлиненными насадками, отверстиями в лапах, различными диаметрами насадок на одном долоте, а также различные комбинированные схемы, сочетающие центральную и периферийную асимметричную схемы одновременно, обеспечивающие кроме струйного воздействия на поверхность забоя эффективные каналы транспорта шлама восходящими потоками в свободных от нисходящих струй проемах между лапами долота или между стенкой скважины и наружной поверхностью удлиненной насадки, снижая эжектирующее воздействие открытых струй на частицы шлама.

8. В случаях, когда доминирующим является 3-й процесс очистки (мягкие, вязкие породы, относительно небольшие глубины) разработаны и предложены т.н. ориентированные схемы промывки, при которых струи жидкости направляются в зоны наиболее интенсивного сальникообразования, и очистка вооружения осуществляется прямым воздействием струй жидкости, а не отраженными от забоя, зашламованными и потерявшими энергию потоками, как это имеет место при работе обычных гидромониторных долот. Однако, ввиду относительной сложности таких схем, в этих условиях возможно использование вариантов комбинированных симметричных и асимметричных схем с обычными и удлиненными насадками. Одновременно показано, что т.н. "самоочистка" долот типа М носит условный характер, поскольку внутренние межвенцовые и все межзубцовые пространства вообще не самоочищаются, а самоочистка наружных межвенцовых пространств практически прекращается при сработке зубьев уже на 20-25% по высоте.

9. Ввиду того, что схема промывки долота, так же как и тип его вооружения определяются конкретными горно-геологическими условиями разбуриваемого интервала, схема промывки и тип вооружения долота должны соответствовать друг другу. Это следует учитывать уже на стадии проектирования долот, поскольку тип вооружения априори предопределяет как характер, так и возможные объемы шлама, подлежащие эвакуации из зоны долота. В работе сформулированы соответствующие рекомендации, которые могут использоваться как конструкторами, так и технологами непосредственно на буровой при установке необходимого числа насадок требуемой конфигурации.

10. Важным фактором эффективности очистки забоя является внешняя геометрия долота. Проведенные исследования позволили сформулировать комплекс рекомендаций по внешней геометрии долота, связанных с формой лап долота для увеличения полезного живого сечения в их проемах для восходящих потоков, выносящих шлам, конфигурации бобышек и их заглублению в тело лапы как для освобождения проема между лапами для восходящих потоков и снижения эжектирующего действия нисходящих струй, так и для удаления пятна контакта струи с забоем от стенки скважины, что в мягких породах может приводить к улучшению условий формирования ствола и снижению кавернообразования, а также по другим мерам, направленным на достижение сформулированных выше целей.

11. Режим промывки забоя следует выбирать, исходя из предварительно выбранной схемы промывки забоя и долота на основе изложенных выше положений. При этом в работе показано, что расход промывочной жидкости, выбираемый, исходя из условия эффективного транспорта шлама по затрубному пространству или, тем более, исходя из требований эффективной работы забойного двигателя, всегда превышает технологический необходимый расход для очистки забоя скважины. Установлено также, что на 2-й процесс очистки практически не оказывают влияния и свойства промывочной жидкости. В результате, выбор рационального режима промывки забоя сводится к выбору рациональной скорости истечение жидкости из насадок применительно к конкретной схеме промывки долота. Когда доминирующим является 1-й процесс очистки скорости истечения должны быть не менее 60-70 м/с. В случаях, когда доминируют 2-й или 3-й процессы рекомендуемый диапазон скоростей истечения применительно к предложенным схемам промывки составляет всего от 40 до 60 м/с, что позволяет более рационально расходовать подводимую к забою гидравлическую мощность.

12. При глубинах залегания интервалов разбуривания свыше 4500 м за счет действия высоких дифференциальных и горных давлений любые категории горных пород разрушаются по единому, псевдопластичному" механизму со скоростями проходки на уровне 11,5 м/ч. В этих условиях никаким изменением схемы и режима промывки забоя уже нельзя повлиять на улучшение показателей работы долот, поскольку в этом случае необходимо изменение самого механизма разрушения горных пород, например, за счет применения гидромеханического способа, при котором высоконапорные струи жидкости разрушают и очищают забой одновременно, за счет использования методов искусственного снижения дифференциального давления и других. Правомерна, по-видимому, и постановка вопроса о создании принципиально новых классов буровых долот, специально предназначенных для глубокого бурения, в частности, способных воспринимать сверхвысокие осевые нагрузки, поскольку сам по себе фактор очистки забоя может оказывать заметное влияние на буровой процесс только при скоростях проходки свыше 2-3 м/ч. Возможно также применение предложенных нами долот АТП со ступенчатой формой резца и различными углами атаки по радиусу долота.

13. Разработанная теория и соответствующие математические модели процесса выноса шлама из призабойной зоны при различных режимах, схемах промывки и скоростях вращения долота, основанные на результатах экспериментальных исследований, позволили описать в первом приближении исследуемый процесс, уточнить ряд его важных характеристик, обосновать программу комплексных экспериментальных работ и испытаний, результаты которых, в свою очередь, выявили их соответствие теоретическому описанию процесса.

14. Разработанные методики экспериментальных исследований и соответствующие стендовые установки могут использоваться разработчиками и изготовителями буровых долот в качестве стандартизированных методов оценки гидродинамического совершенства буровых долот различных типоразмеров с точки зрения эффективности очистки призабойной зоны и вооружения долота в условиях, максимально приближенных к реальным.

15. Предложенные и обоснованные автором схемы промывки буровых шарошечных долот в настоящее время широко используются в серийных долотах основного применения, таких как 111215,9 М-ГВ-1, 111215,9

М-ГВ-2, 111215,9 М -ПГВ, 111215,9 С-ГВ-1, 111215,9 С-ГВ-2, 111215,9 С-ГН-4, 111215,9 С-ЦГВ, 111215,9 МЗ-ГВ-2, 111215,9 МЗ-ГВ-3, 111215,9 МЗ-ЦГВ-И196, 111215,9 МСЗ-ГН-1, 111215,9 СЗ-ГВ, 111215,9 СЗ-ГВ-1, 111215,9 СЗ-ГВ-2, 111393,7 М-ГВ, 111393,7 С-ГВ, 111393,7 СЗ-ГВ, в долотах 111215,9 МЗ-ГВ-П1, 111215,9 МЗ-ГВ-П2, 111215,9 МЗ-ГВ-ЗМ, 111215,9 МЗ-ГВ-4, 111444,5 С-ГВ, а также в целом ряде других буровых долот отечественного и зарубежного производства.

1. Абдуллин P.A. и др. Пути повышения скорости бурения за рубежом. М., ВНИИОЭНГ, сер. Бурение, вып. 17 (136), 1987 г., с. 41

2. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М., Физматгиз, 1960 г., с. 715

3. Акопов Э.А. Очистка забоев глубоких скважин. М., Недра, 1970 г., с. 120

4. Айриянц A.C., Симонов В.В., Шацов Н.И. Известия ВУЗов, Нефть и газ, № 2, 1965 г., с. 12-15

5. Арзуманов Р.Г. Автореферат кандидатской диссертации. Исследование характера движения и динамического воздействия на забой скважины промывочной жидкости, истекающей из сопел долота. Баку, 1967 г., с. 23

6. Аметов И.М., Даниэлян Ю.С. О модели очистки скважины при бурении. Известия ВУЗов, Нефть и газ, № 1, 1971 г., с. 53-54

7. Байдюк Б.В. Механические свойства горных пород при высоких давлениях и температурах. Гостоптехиздат, М., 1963 г.

8. Бизанти М.С., Блик Э.Ф. Выбор конструкции промывочной системы гидромониторного долота. Нефть, газ и нефтехимия за рубежом, № 12, 1984 г., с. 27-33

9. Бингхем Г. Новое в проблеме буримости горных пород. М., Недра, 1967 г., с. 56

10. Бойко П.Я. Влияние пространственной ориентации удлиненных насадок в схемах промывки трехшарошечных долот на очистку забоя скважины от выбуренного шлама. Нефтяник, № 9, 1992 г., с. 9-11

11. Булатов В.В. Разрушение горных пород при бурении глубоких скважин. М., Гостоптехиздат, 1963 г.

12. Болыпев Л.П., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. Наука, 1964 г.

13. Вадецкий Ю.В. и др. Резервы улучшения показателей бурения. Нефтяное хозяйство, № 2, 1986 г., с. 9-11

14. Векилов Т.Г. Автореферат кандидатской диссертации. Баку, 1968 г.

15. Варламов Е.П. Автореферат докторской диссертации. Гидродинамические процессы на забое скважины и совершенствование систем промывки буровых долот. Уфа, 1996 г., с. 47

16. Васильев A.B. Автореферат кандидатской диссертации. Совершенствование схем промывочных устройств гидромониторных долот. М., 1982 г., с. 23

17. Гарунов Г.А. и др. Об эффективности очистки скважины при бурении. Известия ВУЗов, Нефть и газ, № 9, 1988 г., с. 17-21

18. Гераськин В.Г. Автореферат кандидатской диссертации. Совместное влияние дифференциального давления и режима промывки скважины на показатели работы долот. М., 1984 г., с. 21

19. Глебов В.А. и др. Об улучшении качества стволов скважин. М., Нефтяное хозяйство, № 9, 1987 г., с. 14-18

20. Гусман A.M. Влияние условий очистки забоя скважины на механическую скорость бурения. Труды ВНИИБТ, вып. 24, М.,1970 г.

21. Гусман A.M. Экспериментальное исследование процесса выноса шлама из зоны долота в затрубное пространство. Материалы IV Всесоюзного семинара по гидравлике промывочных жидкостей и цементных растворов в бурении. Гомель, 1973 г.

22. Гусман A.M. Исследование процесса выноса шлама из призабойной зоны при различных схемах промывочных устройств шарошечных долот. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 1973 г.

23. Гусман A.M. К теории очистки забоя скважины при центральной схеме промывочных устройств долота. Материалы IV Всесоюзного семинара по гидравлике промывочных жидкостей и цементных растворов в бурении. Гомель, 1973 г.

24. Гусман A.M. Влияние свойств промывочного агента, масштабного фактора, конструктивных особенностей шарошечного долота и формы забоя на процесс выноса шлама из зоны долота. Труды ВНИИБТ, вып. 48, М., 1979 г.

25. Гусман A.M. К вопросу о соответствии гидравлической схемы шарошечных долот типу их вооружения. Материалы VII Всесоюзного семинара по гидравлике промывочных жидкостей и цементных растворов в бурении, Ивано-Франковск, 1984 г.

26. Гусман A.M. Состояние и направления совершенствования схем промывки буровых шарошечных долот. Труды ВНИИБТ, вып. 66, М., 1988 г.

27. Гусман A.M. Принципы выбора схем и режимов промывки забоя в зависимости от горно-геологических условий проводки скважин. Материалы школы-семинара по гидравлике промывочных и тампонажных растворов. Ивано-Франковск, 1990 г.

28. Гусман A.M. Исследование методов управления очисткой забоя бурящейся скважины. НТЖ «Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море», III-12, 1999 г.

29. Гусман A.M. Совершенствование долот типа СТРАТАПАКС для бурения в твердых и крепких породах. Нефтегазовые технологии, № 1, 2000 г.

30. Мительман Б.И., Энгель A.C., Гольдштейн И.Е., Гусман A.M. Исследование эффективности работы гидромониторных долот. Бурение, № 11, 1967 г.

31. Гусман A.M., Мительман Б.И., Малкин И.Б. Промысловые исследования эффективности гидромониторных долот. Материалы II Всесоюзного семинара по гидравлике промывочных жидкостей и цементных растворов в бурении, Краснодар, 1969 г.

32. Гусман A.M., Шумилов Л.П., Малкин И.Б. О методике исследования процесса очистки забоя. Труды ВНИИБТ, вып. 24, М., 1970 г.

33. Гусман A.M., Мительман Б.И., Малкин И.Б. Влияние свойств промывочной жидкости на показатели работы шарошечных долот. Труды ВНИИБТ, вып. 24, М., 1970 г.

34. Гусман A.M., Малкин И.Б.,Шумилов Л.П. Влияние условий промывки забоя на износ шарошечных долот. Труды ВНИИБТ, вып. 24, М., 1970 г.

35. Гусман A.M., Мительман Б.И., Малкин И.Б. Исследование эффективности гидромониторных долот. Труды ВНИИБТ, вып. 24, М., 1970 г.

36. Гусман A.M., Мительман Б.И. Гидромеханическое и эрозионное бурение. М., ВНИИОЭНГ, 1971 г.

37. Гусман A.M., Мительман В.И. Эрозионное бурение скважин. Материалы III Всесоюзного семинара по гидравлике промывочных жидкостей и цементных растворов в бурении, Октябрьский, 1971 г.

38. Буяновский И.Н., Гусман A.M., Мелешкина М.И. Теоретические исследования процесса выноса шлама из зоны долота, имеющего центральное расположение промывочных устройств. Труды ВНИИБТ, вып. 34, М., 1975 г.

39. Гусман A.M., Малкин И.Б., Мительман Б.И., Алиев B.C., Усольцев A.B. Исследование эффективности асимметричных схем промывки гидромониторных долот. Бурение, № 12, 1975 г.

40. Гусман A.M. Мительман Б.И. Исследование выноса шлама из зоны долота в затрубное пространство. Нефтяное хозяйство, № 2, М., Недра, 1975 г.

41. Гусман A.M., Мительман И.Б. Методика экспериментального исследования процесса выноса шлама из зоны долота. Труды ВНИИБТ, вып. 48. М., 1979 г.

42. Гусман A.M., Кривоненков С.П., Липатов В.И., Максименко Б.П. Исследование и усовершенствование промывочных систем бурильных головок. Труды ВНИИБТ, вып. 48. М., 197 9 г.

43. Гусман A.M., Мительман Б.И. Экспериментальное исследование влияния схемы и режима промывки забоя на вынос шлама из зоны долота. Труды ВНИИБТ, вып. 48. М., 1979 г.

44. Гусман A.M., Капранов В.Г. Математическая модель процесса выноса шлама из зоны долота с центральным промывочным отверстием. Труды ВНИИБТ, вып. 48. М., 1979 г.

45. Гусман A.M., Дюков Н.Г., Осипов Г.М., Соломатин Ю.В., Ткаченко В.И. Влияние схемы промывки на характер износа шарошечных долот. Труды ВНИИБТ, вып. 48. М., 1979 г.

46. Пестров А.П., Шенбергер В.М., Филимонов А.Н., Мительман Б.И., Гусман A.M. Применение трехшарошечных долот с ориентированными промывочными узлами на месторождениях Среднего Приобья. Бурение, № 7, 1979 г.

47. Бухман Ю.А., Гусман A.M., Липатов В.И., Мительман Б.И. О возможности применения теории массового обслуживания для прогнозирования эффективности выноса шлама из призабойной зоны. Труды ВНИИБТ, вып. 48. М., 1979 г.

48. Гусман A.M., Константинов Л.П., Липатов В.И., Мительман Б. И. О выборе схемы промывочных устройств шарошечных долот в зависимости от геолого-технических условий проводки скважин. Труды ВНИИБТ, вып. 48, М., 1979 г.

49. Пестров А.П., Гусман A.M. Исследование и разработка мер по ликвидации сальника с вооружения долота при бурении в условиях Западной Сибири. Проблемы нефти и газа Тюмени, вып. 61, М., 1984 г.

50. Пестров А.П., Гусман A.M. Исследование процесса очистки призабойной зоны при различных режимах и схемах промывки забоя скважин. Сб. Совершенствование технологии строительства скважин, СибНИИНП, Тюмень, 1984 г.

51. Ворожцов М.И., Гусман A.M., Драганчук О.Т., Реутов В.А. Экспериментальные и теоретические исследования процесса разрушения горных пород алмазо-твердосплавными пластинами. Труды ВНИИБТ, вып. 67, М., 1989 г.

52. Барский И. JI., Гусман A.M., Реутов В. А., Каракозов P.P. Повышение эффективности разрушения горных пород алмазно-твердосплавными пластинами путем изменения их профиля. Азербайджанское нефтяное хозяйство, № 10, 1992 г.

53. Барский И.Л., Гусман A.M., Каракозов P.P. , Реутов В.А. Некоторые результаты стендовых исследований работы резца «СТРАТАПАКС» со ступенчатым профилем. Библиографический указатель ВИНИТИ «Депонированные научные работы», № 9, М., 1992 г., с. 53

54. Гусман A.M., Барский И.Л. Разработка научных основ создания долот СТРАТАПАКС для крепких пород. Материалы Всероссийской научной конференции «Фундаментальные проблемы нефти и газа», М., 1996 г.

55. Гусман A.M., Гусман М.Т., Липатов В.И. и др. Гидромониторное шарошечное долото. A.c. № 307412, БИ № 23, 1971 г.

56. Барский И.Л., Гусман A.M., Левина А.Б. Метод управления динамикой бурильной колонны. Нефтегазовые технологии, № 1, 2000 г.

57. Гусман М.Т., Мительман Б.И., Гусман A.M. Гидромониторное шарошечное долото. A.c. № 295856, БИ № 8, 1971 г.

58. Гусман М.Т., Мительман Б.И., Гусман A.M. и др. Гидромониторная насадка для буровых долот. A.c. №309111, БИ № 29, 1971 г.

59. Гусман A.M. , Мительман Б.И. Гусман A.M. Устройство для бурения в поглощающих горизонтах. A.c. № 336409, БИ № 14, 1972 г.

60. Гусман М.Т., Назаров В.И., Мительман Б.И., Гусман A.M. и др. Ударно-вращательное устройство для бурения скважин. A.c. № 441390, БИ № 32, 1975 г.

61. Гусман A.M., Гусман М.Т., Мительман Б.И. Породоразрушающее устройство для эрозионного бурения. A.c. № 595477, БИ № 8, 1978 г.

62. Гусман М.Т., Булах Г.И., Гусман A.M. и др. Устройство для бурения скважин. A.c. № 604958, БИ № 16, 1978 г.

63. Агеев А.И., Гусман A.M., Малкин И.Б. Шпиндель забойного двигателя. A.c. № 1133927, 08.09.1984 г.

64. Барский И.Л., Агошашвили Т.Г., Гусман A.M., Каракозов P.P., Реутов В.А. Резец для разрушения породы. A.c. № 1833452, БИ № 29, 1993

65. Ширин-Заде С.А., Гусман A.M., Позельский Е.П. и др. Способ электротермического бурения. Патент РФ № 2013514, 30.05.1994 г.

66. Гусман A.M., Барский И.Д., Левина А.Б., Мессер А.Г. Буровое алмазное долото, Патент РФ № 2129646, 08.05.1996 г.

67. Mirzajanzade А.Н., Bulatov A. I., Gusman A.M. and Shirinzade S.A. Well Drilling and Cementing: a Systems Approach, Models and Artificial intelligence. Preprint of the Thirteenth World Petroleum Congress, Topic 9.1, Buenos Aires, 1991

68. Dang Cua, Barski I.L., Gusman A.M. New Way to Stabilize BHA. J. TAPCHI DauKhi, No. 4, Vietnam, 1998

69. Alexander M. Gusman, Alexey G. Messer and Ilia L. Barski. New PDC Bit Concept for Hard Rock Drilling. Proceedings of the Joint Conference "Energy for the New Millenium", New-Orleans, USA, February, 2000

70. Ilia L. Barski, Alexander M. Gusman and Alexander S. Povalikhin. Development of a Method for Drilling of Straight Sections of Various Type Wellbores. Proceedings of the Joint Conference "Energy for the New Millenium", New-Orleans, USA, February, 2000

71. Губарева И.М. Автореферат кандидатской диссертации. Повышение эффективности работы трехшарошечных долот с центральной промывкой путем совершенствования промывочного узла. М., 1984 г., с.22

72. Голубинцев О.Н. Механические и абразивные свойства горных пород и их буримость. М., Недра, 1968 г.

73. Железняков Ф.И. Влияние отдельных факторов технологии бурения на механическую скорость. М., Нефтяное хозяйство, 1977 г., с. 13-18

74. Железняков Ф.И. Оценка стойкости опор шарошечных долот. Нефтяное хозяйство, № 5, 1977 г., с. 11-15

75. Жидовцев Н.А. Результаты исследования и внедрения долот с асимметричной схемой промывочных устройств. Машины и нефтяное оборудование, № 7, 1981 г., с. 4-7

76. Жидовцев H.A. и др. Метод оптимизации схем промывочных устройств шарошечных долот. М., Нефтяное хозяйство, № 7, 1992 г., с. 11-14

77. Жидовцев H.A., Кириллин В.И. Выбор и оптимизация схем промывочных устройств шарошечных долот. НТС "Строительство нефтяных скважин на суше и на море", М., ВНИИОЭНГ, вып.8, 1992 г., с. 6-12

78. Иоанесян Ю.Р. Новое в проблеме буримости пород. М., Недра, 1967 г., с. 55

79. Карлов Р.Г., Лопатин Ю.С. Исследование влияния конструкции долота на эффективность очистки от шлама призабойной зоны при бурении с продувкой. М., Нефтяное хозяйство, № 8,1966 г., с. 9-11

80. Карлов Р.Г. О механизме очистки забоя. М. Труды ВНИИБТ, вып.30, 1972 г., с. 33-40

81. Кириллин В.И. Автореферат кандидатской диссертации. Повышение эффективности работы шарошечных долот путем совершенствования их промывочного устройства, приближенного к забою. М., 1989 г., с. 23

82. Коваленко Ю.И., Литвинов А.И. Совершенствование гидравлических характеристик промывочной системы гидромониторных шарошечных долот. М., Нефтяное хозяйство, № 10, 1984 г., с. 19-20

83. Козодой А.К., Зубарев A.B., Федоров B.C. Промывка скважин при бурении. Гостоптехиздат, 1963 г.

84. Козодой А.К. и др. Пути совершенствования промывочных узлов гидромониторных долот. М., Бурение, ВНИИОЭНГ, 1974 г., с. 28

85. Колесников H.A. Влияние дифференциального и угнетающего давления на разрушение горных пород. М., Обз. инф. ВНИИОЭНГ, сер. Бурение, вып. 5, 1986 г., с. 40

86. Колесников H.A. и др. Повышение показателей работы гидромониторных долот за счет совершенствования схемы промывки. М., ВНИИОЭНГ, сер. Бурение, № 2, 197 6 г., с. 3-5

87. Крист М.О. Автореферат кандидатской диссертации. Тюмень, 1971 г.

88. Кулиев А.К. Автореферат кандидатской диссертации. Баку, 1969 г.

89. Кулиев А.Э. Экспериментальное определение силы давления струи на забой скважины. М., Нефтяное хозяйство,№ 1, 1973 г., с. 38-41

90. Липатов В.И., Шумилов Л. П. О движении твердых частиц в восходящем потоке глинистого раствора. М., Труды ВНИИБТ, вып. 24, Гидравлика в бурении, 1979 г., с. 74-79

91. Лопатин Ю.С. и др. Исследование влияния конструкции долота на эффективность очистки от шлама призабойной зоны при бурении с продувкой воздухом. М., Нефтяное хозяйство, № 9,1966 г., с. 9-14

92. Мавлютов М.Р. Разрушение горных пород при бурении. М., Недра, 1978 г., с. 215

93. Мавлютов М.Р. Автореферат докторской диссертации. Уфа, 1973 г.

94. Матюшин П.Н. Автореферат кандидатской диссертации. Влияние шлама на разрушение породы и механизм очистки забоя скважины при бурении шарошечными долотами. Уфа, 1972 г.

95. Марик В.Б. Автореферат кандидатской диссертации. Повышение эффективности работы трехшарошечных долот типа М в Западной Сибири путем совершенствования их промывочного узла. М., 1987 г.

96. Матвеев Г.И. Автореферат кандидатской диссертации. Исследования по совершенствованию схемы промывки и повышению надежности гидромониторных узлов шарошечных долот. М. 1974 г.

97. Муратов М.У., Латыпов Э.К. Эффективность очистки забоя от выбуренной породы при турбинном бурении. М., ВНИИОЭНГ, сер. Бурение, вып.9, 197 0 г., с. 122

98. Мальков И.А. Теория и практика применения гидромониторных долот в США. М., Гостоптехиздат, 1958 г.

99. Мирзаджанзаде А.Х. и др. Гидравлика глинистых и цементных растворов. М., Недра, 1966 г.

100. Налимов А.Р. Методы математического планирования экстремальных экспериментов. Наука, 1966 г.

101. Плотников В.М. Автореферат кандидатской диссертации. М., 1973 г.

102. Потапов Ю.Ф., Симонов В.В. Разрушение горных пород долотами малого диаметра. М., Гостоптехиздат, 1960 г.

103. Соболевский B.B. Автореферат кандидатской диссертации. Исследование разрушения горных пород струями промывочной жидкости при проводке глубоких разведочных скважин в Западной Сибири. М., 1981 г., с. 22

104. Скрябин Т.Ф. Автореферат кандидатской диссертации. Повышение показателей работы долот путем совершенствования условий и схем промывки забоя скважин. М., 1992 г., с. 23

105. Старцев A.A. и др. Результаты отработки долот с различными системами промывки забоя. НТС "Бурение", М., ВНИИОЭНГ, № 12, 1967 г. с. 9-13

106. Струговец Е.Т. Автореферат кандидатской диссертации. Экспериментальное исследование влияния гидростатического давления на процесс бурения. Уфа, 1968 г.

107. Сферина И.Д. Влияние горного и гидростатического давлений на механические свойства горных пород при вдавливании. М., ВНИИОЭНГ, 1966 г.

108. Тагиев Э.И. и др. Известия ВУЗ"ов, Нефть и газ , № 11, 1966 г.

109. Тимофеев Н.С., Гусман М.Т. Бурение скважин в США. М., Гостоптехиздат, 1961 г.

110. Федоров B.C. Научные основы режимов бурения. М., Гостоптехиздат, 1964 г.

111. Федоров B.C. Проектирование режимов бурения. М., Гостоптехиздат, 1958 г.

112. Шишенко Р. И. и др. Гидравлика промывочных жидкостей. М., Недра, 1976 г., с. 295

113. Патент 2310681/Франция/ кл.Е 32 С 9/10

114. Патент США № 4372399 кл.Е 21 В 10/60

115. Патент США № 3099324 кл.175-377

116. Патент США № 4886131 кл.175-340

117. Патент США № 4741406 кл.175-340

118. Патент США № 4665999 кл.175-340

119. Патент США № 4687067 кл.175-340

120. Патент США № 4741406 кл.175-340

121. Brommel R.J. Oil and Gas J., No.7, May 1956, p. 32-39

122. Horner V. And oths. Microbit Dynamic Filtration Studies. Trans. AIME, vol. 210, 1957, p. 183-189

123. Eckel J.R. Effect of Pressure on Rock Drillability. Trans. AIME, vol. 213, 1958, p. 1-7

124. Canningham R.A. and Eeanick J.G. Laboratory Study of Effect of Overburden Formation and Mud Column Pressure on Drilling Rate of Permeable Formations. Trans. AIME, vol. 216, 1959, p. 9-7

125. Garnier A.J. and Van Lingen N.H. Phenomena Affecting Drilling Rates at Depth. Trans. AIME, vol. 216, 1959, p. 232-239

126. Lingen Van N.H. Bottom Scavening a Major Factor Governing Penetration Rate at Depth. J. Petr. Tech., Febr. 1962, p. 187-196

127. Maurer W.C. The Perfect Cleaning. Theory of Rotary drilling. J. Petr. Tech., Nov. 1962, p. 1270-1427

128. Garnier N.E. and oths. Experimental Study of Crater Formation in Limestone at Elevated Pressure. J. Petr. Tech., Dec. 1963, p. 1356-1364

129. Feenstra R. and Leewen J.M. Van. Full-Scale Experiments on Jets Impermeable Rock Drilling. J. Petr. Tech., March, 1964, p. 329-336

130. McLean R.H. Crossflow and Impact under Jet Bits. J. Petr. Tech., Nov. 1964, p. 1299-1306

131. McLean R.H. Velocities, Kinetic Energy on Shear in Crossflow under Three-Cone Jet Bits. . J. Petr. Tech., Dec. 1965, p. 1443-1448

132. Maurer W.C. Bit Tooth Penetration under Simulating Borehole Conditions. J. Petr. Tech.,,Dec. 1965, p. 1433-1442

133. Maurer W.C. How Bottomhole Pressure Affects Penetration Rate. Oil and Gas J., 10 Jan. 1966

134. Young f. S. Jr. si Gray K.E. Dynamic Filtration during Microbit Drilling. Trans. AIME, vol. 240, 1967, p. 1209-1224

135. Lowhon Ch.P. and oths. Laboratory Drilling Rate and Filtration Studies of Clay and Polymer Drilling Fluids. Trans. AIME, vol. 240, 1967, p. 668-694

136. Lowhon Ch.P. and oths. Laboratory Drilling Rate and Filtration Studies of Emulsion Drilling Fluids. Trans. AIME, vol. 240, 1967, p. 943-948

137. Eckel J.E. Microbit Studies of Effect of Fluid Properties Mud Hydraulics on Drilling Rate. J. Petr. Tech., Apr. 1967, p. 541-546

138. Bobo R.A. Drill Cheaper with Lower Pump Pressure. Oil and Gas J., 11 Sept. 1967

139. Eckel J.E. How Mud Hydraulics Affect Drill Rate. Oil and Gas J., 17 June, 1968, p. 51-56

140. Vidrine A.J. and Benit E.J. Field Verification on the Effect of Differential Pressure on Drilling Rate. J. Petr. Tech., July, 1968, p. 676-682

141. Lummus J.L. Drilling Optimization. J. Petr. Tech., Nov. 1970, p. 1379-1388

142. Sutko A.A., Myers G.M. The Effect of Nozzle Size, Number and Extention on the Pressure Distribution under a Three-Cone Bit. J. Petr. Tech., Nov. 1971, p. 1299-1304

143. Evans B. and Gray K.E. Effect of Bentonitic Fluid Properties on Drilling Rate. J. Petr. Tech., June, 1972, p. 657-662

144. Sutko A.A. Drilling Hydraulics a Study of Chip Removal Force under a Full Size Jet Bit. Soc. Petr. Eng. J*, Aug. 1973, p. 233-238

145. Netson M.D. Drilling Impedance of Mud Solids. World Oil, Febr. 1975

146. Allen J.H. How to Relate Bit Weight and Rotary Speed to Bit Hydraulic Horsepower. Drilling, No. 8, 1975, p. 43-47

147. Cholet H. and oths. Unique Bit Design Improves Hydraulics and Performance. World Oil, Oct. 1977, p. 63-65

148. Canningham R.A. An Empirical Approach for Relating Drilling Parameters. . J. Petr. Tech., July, 1978, p. 987-991

149. Pratt C.A. Increased Penetration Rates Achieved with New Extended Nozzle Bits. . J. Petr. Tech., Aug. 1978, p. 1191-1198

150. Backer W. Extended kozzle Two-Cone Bits Require Precise Nozzle Sizing for Optimum Performance. Paper SPE 8379 of September 1979 SPE Conference, p. 23-26

151. Warren T.M. and Winters W.J. The Effect of Nozzle Diameter on Jet Impact for a Tricone Bit. J. Petr. Tech., Febr. 1984, p. 9-18

152. Wells m.R. Dynemics of Rock-Chip Removal by Turbulent Jetting. SPE Drilling Engineering, June 1989, p. 144-152

153. Wells M.R. and Pessier R.C. Asymetric Nozzle Sizing Increases ROP. Drilling Contractor, Sept. 1993, p. 50-51

154. King I., Wells M.R., Passier R.C., Besson A. A Methodology Using Laboratory Experiments and Numerical Modeling to Optimize Roller Cone Bit Hydraulics. Paper SPE 28315, SPE 69th Technical Conference and Exhibition, New Orleans, LA, Sept. 1994, p. 25-28

155. Huffstutler A. D. Enhanced Return Areas Improve Flow Dynemics and Rock Bit Performance. Energy Week, book 3, vol. 1, Febr. 1996, p. 103-107