В данной статье мне хочется обсудить проблему определения производительности бурового насоса с точки зрения рационального режима бурения. Напомню, рациональный режим бурения должен обеспечить, за счет сочетания четырех основных регулируемых параметров (осевая нагрузка на долото, частота вращения долота, производительность бурового насоса, параметры бурового раствора), наилучшие качественные и количественные показатели процесса строительства скважины. Проще говоря, рациональный режим бурения должен обеспечить наименьшую стоимость строительства скважины при должном качестве строительства и безопасности проведения работ.
Мы уже обсудили (смотри предыдущие публикации) определение осевой нагрузки на долото и частоты вращения долота с позиции рационального режима бурения, сегодня будем пробовать определить производительность бурового насоса.
Производительность насоса Q, объем жидкости (бурового раствора), которую насос прокачивает за единицу времени – литров в минуту или литров в секунду.
Буровой раствор, в процессе строительства скважины, выполняет достаточно большое количество функций:
- создает необходимое противодавление на стенки скважины (забойное давление);
- является источником гидравлической энергии для работы гидравлических забойных двигателей;
- охлаждает и смазывает долото в процессе бурения;
- является каналом связи для передачи данных с забоя скважины на поверхность;
- и т.д.
Но главная задача бурового раствора – это полное и своевременное удаление выбуренной породы с забоя скважины.
Чем чище забой скважины в процессе бурения, тем выше механическая скорость бурения, т.е. производительность бурового насоса должна быть такой, чтобы обеспечивалась полная и своевременная очистка забоя от выбуренной породы (шлама).
Обозначим эту производительность, как Q1. Существует достаточно спорная, но вполне рабочая формула для определения данной величины, полученная в большей степени экспериментальным путем:
В нашем случае, для качественной очистки забоя, вполне достаточно производительности насоса равной примерно 26 литров в секунду, но мы то с вами знаем, что качество очистки забоя, в том числе, будет зависеть и от свойств бурового раствора, вернее сказать, от подъемной силы бурового раствора – способности раствора удерживать частички выбуренной внутри себя во взвешенном состоянии, как в процессе бурения, так и при отсутствии циркуляции бурового раствора.
Проще говоря, чем больше плотность и вязкость бурового раствора, тем больше его подъемная сила, тем проще буровому раствору выносить выбуренную породу на поверхность, тем качественнее очистка забоя, тем выше механическая скорость бурения.
Но, с другой стороны, чем выше плотность бурового раствора, тем выше забойное давление. На практике доказано, что чем больше забойное давление столба бурового раствора, тем ниже механическая скорость бурения, т.е. возникает некий парадокс.
Существует правило – если геологические и технологические условия бурения позволяют в виде бурового раствора использовать воду, нужно использовать воду. С точки зрения рационального режима бурения, вода является оптимальным буровым раствором по соотношению цена-качество. Но ключевыми словами в этом правиле являются – «если позволяют геологические и технологические условия бурения», не забывайте об этом, особенно при вскрытии продуктивных горизонтов.
Вода, в отличии, например, от глинистого бурового раствора, практически не обладает подъемной силой. Недостаток подъемной силы воды придется компенсировать высокими скоростями восходящего потока жидкости в затрубном пространстве в процессе бурения.
При бурении на воде, скорость восходящего потока жидкости в затрубном пространстве должна быть не менее 2 м/с, в противном случае, частички выбуренной породы под действием силы гравитации начинают оседать на забой скважины, ухудшая тем самым качество очистки забоя и образуя сальниковые уплотнения над долотом или над забойным двигателем, что может привести к прихвату бурильного инструмента. Существуют определенные правила бурения скважин с применением, в виде бурового раствора, воды, но это уже отдельная история.
Итак, чем ниже плотность и вязкость бурового раствора, тем выше должна быть скорость движения жидкости в затрубном пространстве. Скорость движения жидкости в затрубном пространстве напрямую зависит от производительности бурового насоса.
То есть, определяя подачу насоса необходимо учитывать свойства бурового раствора и необходимую скорость восходящего потока жидкости.
Обозначим производительность насоса для обеспечения необходимой скорости движения жидкости в затрубе Q2.
Чтобы обеспечить скорость восходящего потока жидкости в затрубном пространстве, при данных условиях, нам потребуется производительность насоса равная 49 литров в секунду.
Для того, чтобы обеспечить качественную очистку забоя нам потребуется производительность насоса равная Q1 = 25.6 л/с.
При условии, что бурение ведется при помощи ротора, нам остается сравнить между собой Q1 и Q2 и выбрать из них большую, т.е. в нашем случае, принимаем производительность насоса равную 49 литров в секунду. Это достаточно высокая подача насоса, поэтому при бурении на воде иногда приходиться задействовать оба буровых насоса. Все будет зависеть от того, какую скорость восходящего потока вы примете, как достаточную.
Необходимо отметить, что, при роторном способе бурения, параметры режима бурения не зависят друг от друга.
При турбинном способе бурения, параметры режима зависят друг от друга, а главным параметром является производительность бурового насоса.
Осевая нагрузка на долото, при турбинном способе бурения, зависит от подачи насоса, т.е. прежде чем увеличить нагрузку на долото, необходимо будет увеличить производительность насоса потому, что мощность забойного двигателя зависит от подачи насоса.
Частота вращения долота будет зависеть и от производительности насоса, и от осевой нагрузки на долото.
Отсюда вывод: при турбинном способе бурения, определять производительность насоса необходимо с учетом нормальной работы забойного двигателя.
Пример.
Бурение скважины ведется на воде при помощи гидравлического забойного двигателя, в технических характеристиках которого указано, что для нормальной работы данного вида двигателя рекомендуемая подача бурового насоса Q3 должна составлять 30 литров в секунду.
В этом случае, нам необходимо сравнить между собой Q1, Q2, и Q3 и выбрать из них большую.
В нашем примере выбираем производительность насоса равную 49 литров в секунду, т.к. она является наибольшей.
Напомню, что в данной статье подача бурового насоса определяется, как параметр рационального режима бурения, когда ставится задача достижения наилучших качественных и количественных показателей процесса строительства скважины.
В следующей статье мы поговорим о влиянии параметров бурового раствора на эффективность строительства скважины.