Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор и анализ современных технических характеристик долот PDC с усиленным антивибрационным вооружением и технологий их применения 9
1 Эволюция долот PDC 9
2 Усиленное антивибрационное вооружение и конструкции долот PDC
2.1 Двухрядное расположение резцов 17
2.2 Антивибрационные вставки по лопастям 18
2.3 Импрегнированная защита за резцом 20
2.4 Специальное композиционное покрытие и регулировка выступа резца над этим покрытием 21
2.5 Резцы PDC, обладающие ударной, абразивной и термо-механической стойкостью 23
2.6 Конические резцы 26
2.7 Овальные резцы 27
2.8 Ступенчатый профиль долота 28
2.9 Гибридная технология «KymeraTM» 3 Виброзащитные устройства в компоновке низа бурильной колонны 30
4 Антивибрационные промывочные эмульсии 34
5 Описание характера износа периферийного вооружения и основные факторы, вызывающие его преждевременный износ 35
Глава 2. Разработка методических и технологических решений по выбору долот PDC с усиленным антивибрационным вооружением 43
Глава 3. Экспериментальные исследования работы долот 66
1 Исследование механической скорости проходки долот конструкции I при разбуривании средних по твердости горных пород 68
2 Исследование механической скорости проходки долот конструкции II при разбуривании средних по твердости горных пород 77
3 Исследование механической скорости проходки долот конструкции I при разбуривании твердых горных пород 83
4 Исследование механической скорости проходки долот конструкции II при разбуривании твердых горных пород 90
5 Анализ амплитудных изменений крутящего момента 97
Глава 4 Технико-экономический анализ применения методических и технологических решений 99
1 Применение методических и технологических решений на морских месторождениях 99
2 Применение методических и технологических решений на месторождениях суши 105
Основные выводы и рекомендации 114
Список литературы
- Двухрядное расположение резцов
- Гибридная технология «KymeraTM» 3 Виброзащитные устройства в компоновке низа бурильной колонны
- Исследование механической скорости проходки долот конструкции II при разбуривании средних по твердости горных пород
- Применение методических и технологических решений на месторождениях суши
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Создание безопорных долот с алмазно-твердосплавными резцами PDC позволило совершить настоящий прорыв в технологии бурения скважин, заключающийся в кратном росте проходки на долото по сравнению с трёхшарошечными долотами, увеличении механической скорости проходки, сокращении времени на спускоподъемные операции, уменьшении риска связанных с этим осложнений и улучшении качества ствола скважины. При бурении мягких и средних пород, представленных в геологическом разрезе большинства нефтегазовых месторождений России, долота PDC являются основным породоразрушающим инструментом. Средняя проходка на долота PDC в Западной Сибири составляет 10 000 - 15 000 м, механическая скорость проходки при бурении под кондуктор достигает более 100 м/ч, а под эксплуатационную колонну 50-75 м/ч.
В то же время, в части горно-геологических разрезов (Приволжский регион,
Восточная Сибирь и др.), представленных средними по твердости
слабоабразивными и твердыми среднеабразивными горными породами (далее – средние по твердости и твердые горные породы), основным типом породоразрушающего инструмента остаются долота шарошечного типа, т.к. при работе долотами PDC в данных условиях происходит интенсивный износ периферийного вооружения (на калибрующей части и заплечнике). Основной причиной износа алмазно-твердославных резцов является вибрация. Проходка на долото при этом не превышает 300-500 м. Относительно низкая проходка и высокая стоимость долот PDC снижают технико-экономические показатели бурения и не обеспечивают рентабельность их применения.
Интенсивное воздействие динамических факторов при работе бурильного инструмента приводит к неопределенности в оценке действующих нагрузок, что затрудняет выбор эффективных режимных параметров для разрушения горных пород. В этих условиях часто прибегают к ограничению параметров режимов
бурения или чередованию разных типов долот в одном интервале, что приводит к потерям времени на дополнительные спускоподъемные операции.
Современное развитие долотного производства все больше ориентируется на адаптацию долот PDC к эффективной работе в средних по твердости и твердых горных породах. Производителями долот PDC предлагается ряд конструктивных решений (опций) по усилению вооружения, основное назначение которых – снижение уровня вибрации на долоте. Однако при разработке технологических программ бурения в условиях разбуривания средних по твердости и твердых горных пород, выбору усиленного антивибрационного вооружения в конструкции долота PDC не всегда уделяется должное внимание. Многие буровые и сервисные компании, использующие долота PDC, руководствуются в основном кодами Международной ассоциации буровых подрядчиков (IADC) и общим описанием в каталогах производителя. Одна из причин такого положения заключается в отсутствии научно обоснованных методических и технологических решений по выбору долот PDC с усиленным антивибрационным вооружением, что приводит к нерациональному использованию конструктивных особенностей этих долот.
Таким образом, разработка научно обоснованных методических и технологических решений по выбору долот PDC с усиленным антивибрационным вооружением для повышения эффективности бурения в условиях вибраций является актуальным.
Целью диссертационной работы является повышение показателей
бурения скважины долотами PDC за счет разработки и применения методических
и технологических решений по выбору долот PDC с усиленным
антивибрационным вооружением.
Основные задачи работы
1. Выполнить обзор и анализ современных технических характеристик
долот PDC с усиленным антивибрационным вооружением и технологий их применения. Исследовать характерные виды и причины износа алмазно-твердославных резцов.
-
Выполнить обзор современных методик выбора и оценок износа долот PDC.
-
Разработать методические и технологические решения по выбору долот PDC с усиленным антивибрационным вооружением.
-
Провести сравнительный анализ экспериментальных данных износа периферийного вооружения и ресурса сравниваемых конструкций долот PDC.
-
Провести сравнительный анализ показателей механической скорости проходки сравниваемых конструкций долот PDC.
-
Проанализировать амплитудные изменения крутящего момента сравниваемых конструкций долот.
-
Выполнить технико-экономический анализ результатов бурения сравниваемыми конструкциями долот PDC.
Методы исследований
Для решения поставленных задач применялись общие положения методологии научных исследований, включающие анализ и обобщение научно-литературных источников, проведение теоретических и экспериментальных исследований процесса работы буровых долот. Экспериментальные исследования проводились в промысловых условиях, на действующих буровых установках. Полученные экспериментальные данные обрабатывались с помощью методов математической статистики (оценка численных характеристик выборки). Расчеты проводились на ПЭВМ в системе MATHCAD.
Научные положения, выносимые на защиту
-
Методические и технологические решения по выбору долот PDC с усиленным антивибрационным вооружением, заключающиеся в сравнительной оценке износа периферийного вооружения на основании дифференцированного подхода и определяющие выбор конструкции долота на основании предлагаемого критерия .
-
Экспериментально подтвержденный факт того, что за счет применения усиленного антивибрационного вооружения снижается уровень
вибраций бурильного инструмента, износ периферийного вооружения и увеличивается срок службы долот PDC.
Научная новизна результатов исследования
-
Впервые разработаны научно обоснованные методические и технологические решения по выбору долот PDC с усиленным антивибрационным вооружением для средних по твердости и твердых горных пород, заключающиеся в дифференцированном подходе к описанию износа периферийных резцов и определении отношения износа периферийных резцов сравниваемых конструкций долот.
-
Экспериментально установлено снижение уровня вибраций бурильного инструмента, износа периферийного вооружения и увеличение срока службы долот PDC за счет применения усиленного антивибрационного вооружения долот, при разбуривании средних по твердости и твердых горных пород.
Практическая значимость работы заключается в продлении срока службы долот PDC и увеличении механической скорости проходки при бурении в средних по твердости и твердых горных породах за счет применения разработанных методических и технологических решений, что подтверждено результатами промышленной апробации и внедрения в ООО «Газпром флот» и ООО «Ай Ди Эс навигатор» (Группа компаний «IDS»).
Достоверность и обоснованность научных выводов основаны на применении современных методов и средств экспериментальных исследований, использовании статистических методов обработки информации, подтверждении теоретических положений данными экспериментальных исследований, а также результатами промысловых испытаний при бурении скважин.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались на 5-ом Российском нефтегазовом конгрессе 9-ой московской международной выставки «НЕФТЬ И ГАЗ» (Москва, 2007); 3-й международной научно-практической
конференции ОАО «Лукойл» по проблемам строительства скважин «Новые
технологии бурения и заканчивания скважин» (Москва, 2008); 5-ой
международной конференции «Новые идеи в науках о Земле», РГГРУ им. Серго
Орджоникидзе (Москва, 2011); 7-ой международной конференции «Наука и
новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений
полезных ископаемых», РГГРУ им. Серго Орджоникидзе (Москва, 2012); 66-ой
международной молодежной научной конференции «НЕФТЬ и ГАЗ-2012», РГУ
нефти и газа им. И.М. Губкина (Москва, 2012); 67-ой международной молодежной
научной конференции «НЕФТЬ и ГАЗ-2013», РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина
(Москва, 2013); 11-ой международной конференции «Новые идеи в науках о
Земле», МГРИ-РГГРУ им. Серго Орджоникидзе (Москва, 2013); 4-ой
Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и
специалистов «Обеспечение эффективного функционирования газовой отрасли»
(Новый Уренгой, 2014); 68-ой международной молодежной научной
конференции «НЕФТЬ и ГАЗ-2014», РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина
(Москва, 2014); 7-ой международной научной конференции студентов,
аспирантов и молодых ученых «Молодые - наукам о Земле», МГРИ-РГГРУ им.
Серго Орджоникидзе (Москва, 2014); 11-ой Всероссийской конференции молодых
ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой
промышленности», РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина - ПАО «Газпром» (Москва, 2015).
Реализация работы
Методические и технологические решения по выбору долот PDC с усиленным антивибрационным вооружением использованы при разработке руководящего документа ООО «Газпром флот» «Инструкция по эксплуатации долот PDC в ООО «Газпром флот»».
Методические положения по выбору долот PDC с усиленным антивибрационным вооружением используются в учебном процессе кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин» РГУ нефти и газа (НИУ) имени
И.М. Губкина и кафедры «Современные технологии бурения скважин» МГРИ-РГГРУ им. Серго Орджоникидзе при изучении дисциплины «Технология бурения нефтяных и газовых скважин».
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 15 печатных работах, в том числе в 7 статьях, опубликованных в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы и приложений. Объем диссертации составляет 129 страниц, 62 рисунка, 49 таблиц и включает список литературы из 125 наименований российских и зарубежных авторов.
Благодарности
Автор выражает искреннюю благодарность профессорам А.С. Оганову, Е.Г. Леонову, А.М. Гусману, Н.В. Соловьеву, В.В. Куликову, Р.А. Ганджумяну, В.П. Логунову, кандидатам наук Ю.В. Шамалову, С.А. Бокареву, Е.Д. Хромину, А.П. Назарову, А.А. Тунгусову, И.Д. Бронникову, Д.А. Волику, а также В.М. Иванову, Е.А. Хамину, С.Г. Саркисову за помощь и поддержку при выполнении работы. Особую признательность автор выражает своему научному руководителю профессору С.Л. Симонянцу.
Двухрядное расположение резцов
Вопросами рационального применения буровых долот занимались многие отечественные и зарубежные исследователи, в т.ч. Абрамсон М.Г., Байдюк Б.В., Башкатов Д.Н., Бикбулатов И.К., Борисов К.И., Волик Д.А., Геворков Г.С., Гусман А.М., Дверий В.П., Иоанесян Ю.Р., Ишбаев Г.Г., Кагарманов Н.Ф., Кершенбаум В.Я., Константинов Л.П., Корнилов Н.И., Леонов Е.Г., Мавлютов М.Р., Нескромных В.В., Соловьев Н.В., Сукманов Г.И., Сулакшин С.С., Третьяк А.Ф., Чихоткин В.Ф., Бессон А., Беллин Ф., Гислин Д., Мелколм Т., Рабиа Х. и др. Результаты их плодотворной работы сформировали научно-конструкторскую базу, которая легла в основу дальнейшего совершенствования породоразрушающего инструмента, применяемого при бурении нефтяных и газовых скважин.
Первое безопорные долото, армированное поликристаллическими алмазно-твердосплавными резцами, было разработано в 1973 г. фирмой «General Electric». Разработанное долото позволило обеспечить разрушение горной породы режуще-скалывающим методом. Благодаря этому была уменьшена удельная энергия, необходимая для разрушения породы, и в результате увеличена механическая скорость проходки.
После первых опытов фирмы «General Electric» другие производители буровых долот стали проявлять интерес к резцам «Compax» (позднее «Stratapax») и соответствующей технологии их работы. Так в 1974 г. фирма «Drilling and Service» разработала первые конструкции долот с резцами «Compax» для бурения нефтяных скважин в Европе; в 1978 г. – долото серии S с удлиненной опорой резцов «Stratapax» в форме дисков, закрепленных к твердосплавным цилиндрам. Разработанные долота использовались при строительстве скважин северной части Северного моря.
В 1979 г. были разработаны долота с лопастной матричной конструкцией серии S16. В этом же году впервые начались исследования динамических сил, возникающих при бурении долотами PDC. Опыт фирмы «Drilling and Service» показал, что резцы должны выдерживать динамические нагрузки в 20 раз превышающие статические [117, с. 11].
В 80-х годах прошлого столетия долота PDC имели уже широкое применение за рубежом. К концу 1990 года объем бурения данным типом долот в мире составлял 45 % от всего объема бурения на нефть [108, с. 41-42].
В России внедрение долот PDC останавливало отсутствие надежных гидравлических забойных двигателей (ГЗД) и телеметрических систем [51, с. 44]. Отечественные производители стали разрабатывать долота PDC только в начале 2000-х годов. С 2005 по 2006 года наблюдался период активной разработки долот PDC в РФ. В это время ОАО «Волгабурмаш» было внедрено более 80 различных конструкций долот PDC [24, с. 7]. За счет работы над совершенствованием конструкций долот и их адаптации к условиям различных месторождений удалось добиться положительных результатов [33, с. 24]. Так в 2009 году количество выпускаемых ОАО «Волгабурмаш» типоразмеров долот PDC выросло на 39 позиций [50, с. 16].
Долота PDC стали стремительно завоевывать популярность, вытесняя с рынка долота шарошечного типа [32; 36; 40, с. 83; 94, с. 45]. Доля применения долот PDC с сервисным сопровождением в 2011 году составляла 86 %, долот шарошечного типа всего 14 %. Для сравнения: доля применения долот PDC в 2010 году составляла 63 %. Оптимизация процессов бурения стимулирует внедрение новых конструкций долот [87, с. 84; 100, с. 12]. Так в 2013 году в Сургутском р-не ХМАО РФ объем применения долот PDC составил 80 % от общего объема поставляемых долот в данный р-н [3, с. 26]. Очевидно, что тенденция замещения шарошечных долот будет сохраняться в связи с нарастающей конкуренцией в отрасли долотного сервиса [30], [90].
Рекордными показателями работы долот PDC являются результаты ООО НПП «Буринтех» и ОАО «Волгабурмаш»: общая проходка на долото БИТ 295,3 В519ТСМ - 35 010 м, средняя механическая скорость проходки – 250,7 м/ч [15, с. 112]; общая проходка на долото 295,3 FD257SM-A47M-02 – 30 050 м, средняя механическая скорость проходки – 121,3 м/ч [14, с. 46; 53, с. 103].
В качестве примеров успешного применения долот PDC следует привести некоторые результаты отработок.
В 2007 году в рамках выполнения программ отработки долот и гидравлических забойных двигателей при строительстве нефтегазовых скважин под техническую колонну в Оренбургской области были впервые применены долота PDC 295,3 HC-605 фирмы «Baker Hughes» (рисунок 1.1) [107, с. 11]. В результате были достигнуты увеличение проходки на долото и механической скорости проходки в 2-3 раза [4, с. 27].
Гибридная технология «KymeraTM» 3 Виброзащитные устройства в компоновке низа бурильной колонны
Среди стабилизирующих вставок известны запатентованные резцы «BRUTE» («Baker Hughes»), «SmoothTorqueTM» («National Oilwell Varco»), призматические вставки Thermally Stable Polycrystalline («Varel International»).
За счет стабилизирующих вставок, расположенных за основным рядом вооружения, ООО НПП «Буринтех» отмечена отличная управляемость долот БИТ 215,9 ВТ416УСВ.022-01 и высокие показатели механической скорости долот при бурении под эксплуатационную колонну наклонно-направленных скважин. В процессе работы долота БИТ 215,9 ВТ416УСВ.023-01 отмечены равномерное распределение осевой нагрузки на резцы (рисунок 1.12) и прирост стойкости не менее 50 % с повышением механической скорости проходки. Данный результат подтвержден неоднократными промысловыми испытаниями в Западной Сибири [92, с. 42-43]. Рисунок 1.12 Результат отработки долота БИТ 215,9 ВТ416УСВ.023-0. Прирост стойкости и повышение механической скорости проходки
При включении стабилизирующих вставок в конструкцию долота необходимо учитывать, что каждый резец PDC при работе движется по спиральной траектории, а угол подъема спирали изменяется от нескольких градусов для резцов, расположенных у оси вращения, до нескольких долей градуса для резцов, расположенных к периферийной части долота. Стабилизирующие вставки должны вступать в контакт с горной породой при увеличении угла подъема спирали в диапазоне от десятых до сотых долей градуса. С учетом малого расстояния от режущей кромки резца PDC до вставки, расположенной за резцом, необходимо очень точно выдерживать высоту их установки [60, с. 5].
Импрегнированная природными алмазами защита представлена на рисунках 1.13-1.14 [106, с. 33; 122, с. 1]. Импрегнированная защита создает демпфирующий эффект и равномерное распределение осевой нагрузки между резцами PDC. Рисунок 1.13 Импрегнированная Рисунок 1.14 Импрегнированная защита за резцом PDC долота защита за резцом PDC долота производства производства фирмы «Tercel» фирмы «Baker Hughes»
Специальное композиционное покрытие карбида вольфрама [83, с. 5] и регулировка выступания резца над этим покрытием, ограничивают чрезмерное проникновение резцов PDC в горную породу.
График зависимости крутящего момента от осевой нагрузки на долото с композиционным покрытием приведен на рисунке 1.15, кривая 2в. Кривая крутящего момента этого долота в сравнении с кривыми прототипа и традиционных долот имеет гораздо более пологий вид, без резких изгибов и близок к характеристике шарошечного долота (рисунок 1.15, прямая 2г). Рисунок 1.15 График зависимости крутящего момента от осевой нагрузки долота с композиционным покрытием. Крутящий момент в сравнении с прототипом и традиционными долотами гораздо положе
Композиционное покрытие наносится толщины h (0,5-7,0 мм) для обеспечения выступа h1 (0,1-5,0 мм) вооружения над покрытием. В начальный момент контакта проникновение резца PDC в горную породу ограничивает композиционное покрытие, препятствующее внедрению резцов PDC в породу на величину, большую чем h1. В процессе работы верхний слой композиционного покрытия при контакте с горной породой истирается, образуя дополнительные стабилизационные канавки глубиной h2 (0-5,0 мм). Величина h2 является оптимальной для обеспечения заданной механической скорости проходки с сохранением управляемости и виброустойчивости [60, с. 8].
Установка резцов, обладающих ударной, абразивной и термо-механической стойкостью, позволяет сохранить работоспособность вооружения долота PDC в условиях вибраций [6, с. 98; 83, 5]. Так с 2009 года широкую известность приобрели запатентованные резцы «ONYX» фирмы «Smith». Первые отработки долот с резцами «ONYX» в Иркутской области показали увеличение механической скорости бурения на 60 %, проходки на 30 %. Сегодня их используют в Урало-Повожском регионе (Оренбургская, Самарская области) и в Восточно-Сибирском регионе [65, с. 105].
Фирмой «Smith» проводились опытно-промышленные испытания долота PDC 215,9 MDSi716, включающее в себя комбинацию двухрядного расположения резцов, импрегнированной защиты и резцов «ONYX». Было отмечено повышение средней механической скорости на 19 % относительно показателей по соседним скважинам и стабильность крутящего момента (рисунок 1.17) [Там же, с. 108]. Термостойкость резцов PDC достигается путем кислотного выщелачивания кобальта, после чего она достигает 1150. Удаление кобальтового катализатора из алмазной PDC-пластины осуществляется с использованием кислот. Кислота выщелачивает практически весь внедренный кобальт из лицевой поверхности алмазного слоя на требуемой глубине, оставляя промежуточное пространство между кристаллами [88, с. 48; 112, с. 11-12; 119, с. 3].
Таким образом, снижается вероятность перепада термического расширения между алмазом и металлом катализатора [59, с. 4].
На рисунке 1.18 приведены исследования производителя резцов «Henan Jingrui Superhard» (Китай) методом сканирования электронной микроскопии: а) с низким содержание кобальта (13 %), б) с высоким содержанием кобальта (16 %).
Исследование механической скорости проходки долот конструкции II при разбуривании средних по твердости горных пород
Антивибрационные промывочные эмульсии оказывают комплексное воздействие на процесс бурения: охлаждают породоразрушающий инструмент, удаляют с забоя разбуренную породу, снижают абразивное воздействие шлама на вооружение долота. Помимо перечисленных основных функций обладают повышенными смазочными и антивибрационными свойствами. Они гидрофобизируют трущиеся поверхности и ингибируют коррозионные процессы с образованием на поверхности трения смазочных пленок, способствующих устранению микрошероховатостей и снижению удельных нагрузок. Большинство смазочных добавок способствуют увеличению проходки на долото на 20-40 % и механической скорости на 15-25 %, значительно уменьшают риск возникновения прихватов и время, необходимое для их ликвидации.
Для приготовления эмульсионных растворов используют следующие марки концентратов: пасту кожевенную эмульгирующую, эмульсол лесохимический ЭЛ-4, эмульсол нефтехимический ЭН-4, концентрат солестойкой промывочной жидкости Ленол-1, концентрат солестойкой промывочной жидкости Ленол-32, концентрат солестойкой температуростойкой промывочной жидкости Морозол-2.
Смазочные добавки должны удовлетворять следующим требованиям: адсорбироваться на металлических поверхностях с образованием реологически пластичного или полупластичного их состояния с высоким пределом текучести; сохранять свои основные свойства в минерализованной среде, во всем диапазоне температур и рН, в которых находится буровой раствор; не растворяться на водной основе; не подвергаться гидролизу или реакциям разложения в водной среде, не оказывать отрицательного воздействия на параметры бурового раствора и проницаемость продуктивного пласта [48, с. 119-120; 72, с. 262-263].
Обзор существующих современных антивибрационных средств позволяет сделать основной вывод, что их включение в технологический процесс бурения позволяют минимизировать износ периферийных резцов PDC. Описанию характерного износа периферийных резцов PDC в условиях вибраций посвящен следующий раздел.
5 Описание характера износа периферийного вооружения и основные факторы, вызывающие его преждевременный износ
Одним из источником продольных, поперечных и крутильных колебаний PDC являются возмущающие силы, обусловленные работой долота PDC в перемежающихся по твердости горных породах. В данной работе перемежаемость по твердости горных пород означает чередование средних слабоабразивных и твердых среднеабразивных горных пород (далее – средние по твердости и твердые горные породы).
Опишем механизм возникновения продольных колебаний. В условиях разбуривания горных пород резцы PDC на периферийной части лопастей долота (на заплечнике и калибрующей части) при переходе из пропластка средней твердости в твердый пропласток испытывают повышенную нагрузку. При внедрении долота в твердую горную породу плечевые резцы первыми вступают в контакт, испытывая повышенную нагрузку по сравнению с резцами, которые все еще находятся в средних по твердости горных породах (рисунок 1.33) [10, с. 26].
Сколы резцов происходят за счет первоначального контакта с твердыми пропластками и за счет вибрации, возникающей во время выхода из твердой горной породы. В этот момент имеет место перемещение лопасти вверх (отскок), что сопровождается увеличением потенциальной энергии в КНБК. При выходе из твердого пропластка повышенную нагрузку испытывают резцы, расположенные на заплечнике и калибрующей части долота. Перемещение лопасти вниз сопровождается переходом потенциальной энергии в кинетическую. Таким образом, возникают низкочастотные колебания.
Импульсная перегрузка оказывает разрушительное воздействие на периферийные резцы, так как они имеют больший радиус, чем центральные, что увеличивает инерцию ударной нагрузки [10, с. 26; 73, с. 6].
Механизм поперечных перемещений долота как источник колебаний представлен на примере двухлопастного долота, схема движения лопастей которого приведена на рисунок 1.34. Долото PDC вращается вокруг мгновенной оси О со скоростью д. В какой-то момент перед лопастью А произошел скол горной породы, а перед лопастью В не произошел. При этом произошло изменение соотношения сил сопротивления движения лопастей и ось вращения долота перемещается из точки О в точку Оi, т.к. должно соблюдаться условие [64, с. 111-114]: Pt R = Pt"R" (1.1) Из схемы видно, что при дальнейшем вращении долота PDC вокруг оси Оi периферийная часть лопасти, двигаясь по дуге АА, будет врезаться в стенку скважины, а лопасть В отходить от стенки. Геометрическая ось долота при этом будет двигаться по дуге ОО , т.е. произойдет поперечное смещение долота. Таким образом, скважина приобретает форму многоугольника СDE с числом вершин на одну больше, чем число лопастей долота (рисунок 1.34, б). Чем больше лопастей имеет долото PDC, тем ближе сечение скважины к круглому. Эта одна из причин, по которой лопастные долота выполняют с количеством лопастей от трех и более [Там же, с. 111-114]. Крутильные колебания, возникающие при секторальной неоднородности забоя по физико-механическим свойствам (различные части забоя имеют различную твердость), также приводят к разрушению периферийных резцов PDC. В момент встречи резца PDC с твердым пропластком возникает остановка вращения долота и крутильный удар, сопровождающийся скручиванием с последующим внезапным освобождением [105, с. 39, 147].
Применение методических и технологических решений на месторождениях суши
Вопрос выбора долота PDC для эффективного бурения средних по твердости и твердых горных пород является особенно актуальным при строительстве скважин на морских месторождениях при ограниченных сроках бурения суровыми климатическими условиями и непростой ледовой обстановкой.
В качестве примера отработки долот PDC на морских месторождениях следует привести опыт работы ООО «Газпром флот» на Киринском ГКМ, которое расположено в Охотском море на северо-восточном шельфе острова Сахалин в 28 км от берега (см. рисунок 4.1) [46].
Строительство эксплуатационных наклонно направленных скважин Киринского ГКМ осуществляется с полупогружных буровых установок (ППБУ) «Полярная звезда» и «Северное сияние» (см. рисунки 4.2 и 4.3) [86]. Обе буровые установки способны осуществлять разведочное и эксплуатационное бурение нефтяных и газовых скважин глубиной до 7500 метров, при температуре от минус 30 градусов до плюс 45 градусов [89, с. 112].
При строительстве вышеуказанных скважин применяются долота производства фирм «Halliburton» и «Smith-Schlumberger» с усиленным антивибрационным вооружением (антивибрационными вставками, двухрядным расположением резцов PDC и импрегнированной защитой за резцом). Все долота оснащены резцами PDC, которые обладают ударной, абразивной и термомеханической стойкостью.
Для анализа физико-механических свойств горных пород по стволу скважин были использованы промысловые геофизические материалы. Сопоставление с фактическим описанием шлама позволило выделить в разрезе скважины алевролиты, глины, песчаники. Отмечено, что в интервалах однородных горных пород значения прочности относительно постоянно, в интервалах переслаивания горных пород величина прочности скачкообразно изменяется [42, с. 39-40]. Таким образом, работа долот PDC сопряжена с постоянными ударными нагрузками, что фиксируется датчиками забойной телеметрической системы MWD.
При разработке буровых программ, на этапе выбора долот было принято во внимание, что контактные нагрузки периферийного и внутреннего вооружения значительно отличаются друг от друга и имеют существенное различие в суммарном пути трения. Основываясь на разработанных методических и технологических решениях по выбору долот, были выбраны конструкции долот с усиленным антивибрационным вооружением.
Ниже приведены технические характеристики и результаты работы долот PDC 444,5 FX-75S («Halliburton») с антивибрационными вставками при строительстве эксплуатационной скважины № Р6 Кириннского ГКМ и 311,1 MDSi716LPX с двухрядным расположением и импрегнированной защитой резцов PDC при строительстве эксплуатационной скважины № Р1 Киринского ГКМ (см. таблицы 4.1-4.6, рисунки 4.4-4.7).
В процессе работы долот PDC, при переходе из более мягких в более твердые пропластки, потери управляемости КНБК не наблюдалось [43, с. 69; 44, с. 15]. Средняя механическая скорость проходки соответствовала проектной.
По результатам осмотра износа долот установлено, что поверхность посадочного гнезда у долот с усиленным антивибрационным вооружением полностью прикрыта телом резца, корпусом и наплавочным материалом. Долота отработаны с незначительным износом периферийного вооружения, потребность в восстановительных работах отсутствует и, следовательно, подлежат дальнейшей эксплуатации. Таким образом, установлено, что долота с усиленным антивибрационным вооружением имеют больший срок службы, чем долота без усиленного антивибрационного вооружения.
Применение разработанных методических и технологических решений выбора долот PDC позволило определить их рациональные конструкции для данных горно-геологических условий.
Приобретенный ООО «Газпром флот» опыт отработки долот на шельфах о. Сахалин (Мынгинское, Киринское, Южно-Киринское месторождения), Печорского моря (Варандей-море, Медынское-море, Долгинское местрождения),
Карского моря (Каменномысское-море, Обское, Чугорьяхинское, Северо-Каменномысское месторождения), Балтийского и Азовского морей [38, с. 8; 85, с. 138-139] дает возможность выполнять сравнительный анализ износа долот PDC и подбирать их рациональное конструктивное исполнение для конкретных технико-технологических и горно-геологических условий.
Накопленный опыт работы, разработанные методические и технологические решения по выбору долот с усиленным антивибрационным вооружением легли в основу руководящего документа – инструкции по эксплуатации долот PDC в ООО «Газпром флот» (см. техническую справку – Приложение А).
Инструкция содержит рекомендации для принятия оперативных решений по отработке долот PDC и проведения анализа их работы.
В результате применения разработанных методических и технологических решений при выполнении программы наклонно направленного бурения и долотного сервиса ООО «Ай Ди Эс навигатор» по строительству скважин Дулисьминского месторождения Иркутской области, была определена рациональная конструкция долота PDC с усиленным антивибрационным вооружением (см. Главу 2 и техническую справку – Приложение Б). Эффективность работы долот конструкций I и II оценим по технико-экономическим показателям: рейсовой скорости бурения и стоимости одного метра в заданном интервале проводки скважины.