щ
наука - производству
Моментносиловые показатели эксплуатации бурильного инструмШйта с разными профилями скважии
А.В. ОШИБКОВ,
аспирант
М.В. ДВОЙНИКОВ,
д.т.н., профессор
кафедра «Бурение нефтяных и газовых скважин» Тюменский государственный нефтегазовый университет
dvoinik72@mail.ru
В.М. ГРЕБЕНЩИКОВ,
старший консультант по бурению и заканчиванию скважин
HALLIBURTON/Landmark Software & Services г. Тюмень
О повышении эффективности бурения скважин применением инновационных технико-технологических подходов, включающих разработку энергосберегающих профилей и методов их реализации.
TORQUE-FORCE OPERATING PARAMETERS OF THE DRILLING TOOLS WITH DIFFERENT PROFILES OF WELLS
А. OSHIBKOV, M. DVOINIKOV, Tyumen state oil and gas University, The division of «Oil and gas wells drilling», V. GREBENSCHIKOV, HALLIBURTON/Landmark Software & Services, Tyumen city
Improve efficiency in drilling wells with the use of innovative technological approaches, including the development of energy-saving profiles and methods of their implementation
Key words: Drilling, Well plan, Directional Wells
Ранее в журнале были отражены исследования характеристик профилей скважин, имеющих непрерывную кривизну с заданной интенсивностью искривления, представленные одной линией без сопряжения прямолинейных участков и участков набора кривизны [1]. Траектории профилей были выполнены на основе четырех видов трансцендентных кривых: клотоиды,биклотоиды, брахистохроны, трактрисы. Расчеты по параметрическим уравнениям и построение профилей (рис. 1) исходили из начальных заданных условий (отход, интенсивность искривления, угол входа в пласт, глубина по вертикали). Были получены значения минимального радиуса и интервала его размещения, а также глубины скважины по стволу.
С учетом полученных расчетных профилей скважин были проведены исследования моментносиловых показателей работы бурильной колонны (БК) при бурении и спуско-подъемных операциях (СПО) с использованием программного продукта LANDMARK.
Были получены количественные оценки альтернатив по исследуемым профилям скважин с массивом данных, отражающих моментносиловые показатели работы КНБК и бурильного инструмента в целом по основным параметрам режимов бурения.
Полученные результаты вычислительных экспериментов оценивались исходя из равнозначных условий бурения, конструкции и параметров промывочной жид-
Табл. Конструкция скважины
Назначение колонны Диаметр долота, м Диаметр обсадной колонны, м Глубина спуска обсадной колонны, м Глубина спуска обсадной колонны (по стволу), м
Кондуктор 0,293 0,228 700 0 - 780
Эксплуатационная 0,212 необсаженный 2509 0 - 3209
кости. Данные о конструкции скважины и конструкции компоновки низа бурильной колонны (КНБК) представлены в табл. и на рис. 2.
При проведении экспериментов использовалась следующая реологическая характеристика бурового раствора: раствор на водной основе, представленный вязко-пластичной Бингамовской жидкостью, температура раствора 21 °С; давление 101,33 кПа; базовая плотность 1140 кг/м3; пластическая вязкость 16,35 МПас; динамическое напряжение сдвига 2,211 Па; СНС (частота вращения ротора от 600 до 3 об/мин), угол составил от 36 до 3 град.
-100
-500
-1000
-1500
-2000
100 200 300 400
500
- тангенциальным .- трактриса биклотоида брахистохрона
L
'■ У
-2500
-3000
Рис. 1. Расчетные профили скважин
0
наука - производству
щ
Параметры бурения: расход 32 л/с; нагрузка на долото от 50 до 100 кН; давление на манифольде не более 260 МПа.
В результате проведения вычислительных экспериментов получены энергетические характеристики работы бурильного инструмента: момента на верхнем приводе при бурении; напряжения растяжения при СПО; напряжения изгиба при бурении; натяжения талевого каната (веса на крюке при СПО); коэффициента усталости.
Далее рассмотрим и проанализируем полученные результаты. Исследования момента на верхнем приводе буровой установки в зависимости от глубины скважины для разных профилей (с учетом равнозначных начальных условий проектирования профиля) показали следующее: при длине скважины (профиль «трактриса») по стволу 3200 м максимальный момент на устье составил 14,5 кНм, при этом минимальный момент на глубине - 4,0 кНм. Можно сказать, что моменты при бурении с нагрузкой до 50 кН и без нагрузки отличаются не более чем на 12 - 15%. Наиболее интенсивно изменение момента наблюдается на глубине от 3200 до 2200 м, что объясняется загруженностью КНБК и наличием в данном интервале изменения кривизны профиля.
На рис. 3 представлен сводный график
- зависимость, отражающая изменение моментов от глубины скважин, траектории которых построены на основе разных параметрических уравнений
Минимальным значением момента на устье обладает траектория по тангенциальному профилю (9,2 кНм), а на забое, так же, как и у трактрисы, не более 4,0 кН м. Момент у профиля, спроектированного по трактрисе, на глубине с 3200 до 2200 м, наименьший на этом интервале по сравнению с другими профилями. Так, например, момент в отмеченном интервале спроектированного по кривой
- трактрисе меньше на 2,6 кН м по сравнению с профилем по уравнениям кривой -брахистохроне и на 1,6 меньше, чем у тангенциального профиля. В этом случае можно утверждать, что в нижней части КНБК при вращении БК наиболее низкий показатель момента будет соответствовать скважине, профиль которой в нижней части искривленного участка имеет плавное изменение радиуса кривизны. В данном случае плавным распределением кривизны обладает профиль, запроектированный по параметрическим уравнениям трактрисы. Такой положительный эффект позволит снизить изгибающие и крутильные напряжения в сжатой части бурильного инструмента. При этом плавное изменение кривизны практически до устья приводит к повышению момента в верхнем сечении БК непосредственно на роторе.
На рис. 4 представлен анализ результатов исследования циклических напряжений
Бурильная труба 5 in, 19.50 ppf, S, NC50(XH), P
Утяжеленная бурильная труба, 127,00 мм, 77,80 кг/м, 1340 MOD, NC50
Гидро-механический ЯСС, 173,00 мм, 152,10 кг/м, 4145Н MOD, 3-133
--Утяжеленная бурильная труба, 127,00 мм, 77,80 кг/м, 1340 MOD, NC50
Бурильная труба, 127,00 мм, 33,93 кг/м, S, NC50(XH)
Немагнитная УБТ, 171,96 мм, 143,90 кг/м, 4145Н MOD, 3-133
' Немагнитный перепускной переводник, 177,04 мм, 132,90 кг/м, 15-15LC MOD (1), 5 1/2 REG
Прибор для измерений во время бурения, 173,99 мм, 125,66 кг/м, 15-15LC MOD(1), 5 1/2 REG Предохранительный переводник, 176,02 мм, 130,60 кг/м, ALLOY 25 [1), 3-133 Прибор для измерений во время бурения, 175,01 мм, 159,44 кг/м, ALLOY 25 (1), 3-133
Предохранительный переводник, 175,01 мм, 128,46 кг/м, ALLOY 25 [1), 3-133 Подвешивающий переводник, 175,01 мм, 180,96 кг/м, 4145Н MOD, 4 1/2 REG
Переводник (кроссовер), 189,99 мм, 140,70 кг/м, ALLOY 25 (1), 3-147 x 3-133
PD 675 Х5 АВ 8 3/8" Stabilized СС
Долото с поликристаллическими алмазами, 2х14, 4x12, 4,771 ст2
Рис. 2. Бурильный инструмент с учетом технических характеристик
при бурении - вращении БК в зависимости от глубины скважины.
Данные напряжения определяют свойства исследуемого оборудования, его усталостный предел прочности, при расчете которого коэффициент запаса прочности материала БК и КНБК определяется исходя из
16
14
12
10
0
y = -0,0442х2 + 0,1499x + 14,162 R2 = 0,9
биклотоида -и-- трактриса -о- тангенциальный — брахистохрона
1-1-1-1-1-СЧСЧСЧСЧСЧСОСО
Глубина скважины, м
Рис. 3. Зависимость изменения момента от глубины скважины с ра^читанным профилем по параметрическим уравнениям кривой: биклотоида; трактриса; тангенциальный; брахистохрона
щ
наука - производству
400 350 300 250 200 150 100 50 0
0 200 400 600 800 10001200 14001600 1800 2000 22002400 2600 2800 30003200
■■ биклотоида ■■ трактриса
Глубина скважины, м тангенциальный
брахистохрона
Рис. 4. Изменение циклических напряжений в зависимости от глубины и типа профиля
предела выносливости инструмента и варьируется в пределах 1,3 - 1,4. Для стали, из которой изготовлен инструмент 40ХНМА2, предел выносливости при изменении амплитуды цикла изгибающих напряжений составляет от 930 до 950 МПа.
На гистограмме представлена зависимость функции циклических напряжений, возникающих в БК при вращении ротором, от глубины скважин.
Результаты исследования циклических напряжений показали, что наибольшее напряжение, составившее 360 Мпа, в верхнем сечении БК испытывает в скважине, профиль которой запроектирован по трактрисе. Минимальное напряжение (не более 295 МПа) на устье испытывает инструмент с профилем скважины - брахистохрона. Напряжение в БК с профилем скважины биклотоида и тангенциальный составили 335 МПа.
В средней части скважины (интервал от 1200 до 2200 м) напряжения, действующие на БК, профили которых запроектированы на основе кривых биклотоида, тангенциальный и трактриса, имеют одинаковые значения от 260 до 220 МПа. При этом напряжение в вышеуказанном интервале скважины с профилем брахистохрона имеет наименьшее значение - не более 160 МПа. Однако с глубины 2200 м до забоя наименьшее напряжение испытывает инструмент в скважине с профилем - трактриса. Напряжения, действующие на БК с данным профилем, в нижнем интервале, по сравнению с другими профилями, ниже не менее чем на 10% и составляют: трактриса - 170 МПа; брахистохрона -200 МПа; биклотоида и тангенциальный - 190 МПа.
При проведении вычислительных экспериментов также были проана-
лизированы эквивалентные напряжения (VonMises) и коэффициент усталости при вращении БК с нагрузкой и без нагрузки инструмента.
Анализ результатов исследований усталости БК показал, что в верхнем интервале от устья до 600 м для профилей биклотоида, трактриса и тангенциальный коэффициент равен нулю. Причем, для профиля, запроектированного по кривой брахистохроне, коэффициент усталости практически до глубины 1900 м не превышает 0,2. Это подтверждает, что на бурильный инструмент в скважине, профиль которой представлен брахистохроной, действуют наименьшие амплитуды циклов переменных сжимающих и изгибающих напряжений. При этом с глубины 2000 до 3200 м коэффициент
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.