В работе рассматриваются принципы выбора оптимальных параметров режима бурения при использовании роторной и турбинной технологий. Проведен анализ взаимосвязей между осевой нагрузкой, частотой вращения, типом породы и характеристиками бурового инструмента. Особое внимание уделено специфике турбинного бурения, включая оценку эффективности работы турбобура при различных режимах, а также условиям обеспечения его стабильной работы при бурении глубоких и наклонных скважин.

Ключевые слова: роторное бурение, турбинное бурение, режим бурения, турбобур, осевая нагрузка.

В процессе роторного бурения не прослеживается строго выраженной взаимосвязи между основными параметрами режима, такими как осевая нагрузка на долото и частота вращения бурильной колонны. Это обусловливает необходимость подбора каждого параметра индивидуально, на основе анализа конкретных условий бурения. Оптимальный режим, таким образом, формируется как сочетание наиболее эффективных значений параметров, рассматриваемых в отдельности [1].

При выборе режимов работы для буровых долот серий ГНУ и ГАУ следует учитывать обратную зависимость между осевой нагрузкой и частотой вращения: повышенные нагрузки требуют понижения частоты, тогда как при высоких частотах рекомендуется снижать нагрузку. Для пластичных, вязких глинистых, а также слабо сцементированных малоабразивных песчано-глинистых и песчаных пород рационально использовать высокие частоты вращения ротора при умеренных нагрузках. В случае бурения абразивных, трещиноватых и обломочных пород частоту вращения следует снижать для предотвращения ускоренного износа твердосплавного вооружения, герметизирующих элементов и других конструктивных узлов долота [2].

Особое внимание необходимо уделять предотвращению вибрационных нагрузок на бурильную колонну, особенно при использовании долот с герметизированными опорами. Вибрации могут существенно снизить эффективность бурения и привести к аварийным ситуациям. В отдельных случаях переход на высокооборотный режим приводит к обрушению стенок скважины и увеличению крутящего момента бурильного инструмента, что требует оперативной корректировки параметров режима.

Отдельную специфику имеет роторное бурение с воздушной или газовой очисткой забоя (рис.1). В этих условиях рекомендуется использовать пониженные скорости вращения. При этом избыточное образование шламовой пыли указывает на преобладание истирающего механизма разрушения породы, что снижает эффективность бурения. В подобных ситуациях переход к объемному разрушению достигается за счет увеличения осевой нагрузки и уменьшения скорости вращения ротора.

Рис. 1. Роторное бурение

Турбинное бурение, в отличие от роторного, осуществляется с использованием забойного гидравлического двигателя — турбобура. Этот метод получил широкое распространение при бурении скважин в сложных геологических условиях, благодаря высокой механической скорости и возможности эффективного бурения наклонных и направленных стволов. Ключевым фактором является соблюдение допустимого перепада давления на турбине, соответствующего параметрам насосных установок. При этом важным условием стабильной работы системы является минимальное изменение перепада давления при изменении режима работы турбины, что предотвращает гидравлические толчки в системе [3].

Оптимизация режима работы турбобура заключается в подборе рационального режима работы насосов, типа турбобура и величины осевой нагрузки на долото для различных интервалов скважины. Рабочая характеристика турбобура позволяет установить его эффективный режим работы, при котором достигается максимальный коэффициент полезного действия. Как правило, на этом режиме частота вращения вала составляет около половины частоты холостого хода, а крутящий момент достигает половины тормозного момента. С увеличением частоты вращения наблюдается рост КПД, однако после достижения максимума эффективность начинает снижаться. При переходе от холостого хода к тормозному режиму перепад давления возрастает незначительно, что способствует устойчивости процесса.

Современные конструкции турбобуров, включающие опоры качения и турбины с прогрессивной геометрией лопаток, обеспечивают снижение перепада давления при переходе от холостого к тормозному режиму (рис.2.). Это позволяет использовать турбобуры на низких оборотах, упрощает их запуск в условиях применения утяжелённых глинистых растворов и позволяет эффективно работать при повышенных нагрузках на долото. Перед началом бурения турбобур соединяется с ведущей трубой, и производится проверка плавности запуска при штатной производительности насосов.

Рис. 2. Турбобур: а — общий вид; б — ступень турбобура; 1 — вал; 2 — корпус; 3 — ротор; 4 — статор

В целом, турбинное бурение как высокоэффективная разновидность вращательного метода разрушения горных пород обладает рядом технологических и эксплуатационных преимуществ. К числу основных относятся высокая механическая скорость бурения, стабильность при строительстве наклонных скважин, а также возможность бурения в условиях высокоабразивных пород. Применение данного метода особенно эффективно при сооружении нефтяных, газовых и разведочных скважин [4].

При этом постоянные технологические усовершенствования — снижение частот вращения, уменьшение перепада давления, рост стойкости инструмента — способствуют дальнейшему росту его эффективности. Вместе с тем, одной из проблем остаётся снижение проходки долота при высоких оборотах, что требует перехода на пониженные скорости для увеличения длины рейса. Однако, принимая во внимание перечисленные достоинства, можно утверждать, что турбинное бурение остаётся актуальным и перспективным направлением в области разведки и добычи полезных ископаемых.

Литература:

1. Кудинов А. И. Основы нефтепромыслового дела. — Ижевск: Изд-во Удмуртского университета, 2008. — С. 218–224.
2. Дмитриев А. Ю. Основы технологии бурения скважин: Учебное пособие. — Томск: Изд-во ТПУ, 2008. — 216 с.
3. Калинин А. Г., Левицкий А. З., Никитин Б. А. Технология бурения разведочных скважин на нефть и газ: Учебник для вузов. — М.: Недра, 1998. — 432 с.
4. Спивак А. И., Попов А. Н., Акбулатов Т. О. и др. Технология бурения нефтяных и газовых скважин: Учебник для студентов вузов, обучающихся по специальности «Бурение нефтяных и газовых скважин». — М.: Недра, 2003. — 508 с.